БИОГАЗОВЫЙ БАРОГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОТЕПЛОГЕНЕРАТОР Российский патент 2013 года по МПК F01K25/08 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для прямого преобразования тепла сжигаемого биогаза в электричество постоянного тока с утилизацией тепла отводимых продуктов сгорания на отопление и горячее водоснабжение энерго-автономных усадебных домов.

Известен барогальванический конвертор, содержащий циркуляционный газовый контур, включающий электрогенерирующую и компрессорную барогальванические ячейки, каждая из которых выполнена в виде диэлектрического корпуса, твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления, электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом. Электрогенерирующая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а компрессорная ячейка выполнена с возможностью ее охлаждения посредством источника холода, при этом полости высокого давления и полости низкого давления обеих ячеек связаны посредством теплообменника-регенератора, а электроды, установленные в полостях низкого давления ячеек электрически связаны между собой, принят за прототип (Патент на изобретение №2080528 «Барогальванический конвертор», автор Белоусов И.Г, 1997, МПК F25B 9/00).

Недостатком прототипа является то обстоятельство, что он не приспособлен и не может эффективно использовать в качестве источника тепла продукты горения сжигаемого биогаза и в качестве источника холода - циркулирующую жидкость-теплоноситель.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание конструкции барогальванического электротеплогенератора, эффективно использующего тепло сжигаемого биогаза.

Поставленная задача достигается тем, что биогазовый барогальванический электротеплогенератор, содержащий циркуляционный газовый контур, включающий электрогенерирующую и компрессорную барогальванические ячейки, каждая из которых выполнена в виде диэлектрического корпуса; твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления; электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом. Электрогенерирующая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а компрессорная ячейка выполнена с возможностью ее охлаждения посредством источника холода; при этом полости высокого давления и полости низкого давления обеих ячеек связаны посредством теплообменника-регенератора, а электроды, установленные в полостях низкого давления ячеек электрически связаны между собой, при этом электротеплогенератор дополнительно содержит: цилиндрический корпус-кожух с ножками с перфорированным основанием и боковым запально-смотровым отверстием; коаксиально-цилиндрический тракт вертикального движения вверх продуктов сгорания с турбулизатором потока газов; основную горелку в форме трубчатого обруча с равномерным расположением отверстий в нем для выхода биогаза и подводящим трубопроводом биогаза с краном с ручным приводом; запальную горелку с подводящим трубопроводом биогаза; коаксиальный цилиндрический охладитель системы отопления с циркулирующим через него жидким теплоносителем с краном с электроприводом на входе и краном с ручным приводом на выходе, при этом компрессорная барогальваническая ячейка выполнена в форме коаксиального цилиндра, эквидистантно расположенного внутри охладителя; зонт с обтекателем; теплообменник горячего водоснабжения с вентилями с ручным приводом на входе и выходе, при этом теплообменник выполнен в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого приведена в плотный термический контакт с наружной цилиндрической поверхностью тракта движения продуктов сгорания в его конечной верхней части; узел автоматики безопасной работы по тяге и терморегулированию, содержащий магнитный газовый клапан, обеспечивающий полное прекращение подачи биогаза к основной и запальной горелкам при погасании пламени в последней, терморегулятор, обеспечивающий автоматическое регулирование температуры теплоносителя в охладителе, при этом узел автоматики соединен с подводящим трубопроводом биогаза через вентиль с ручным приводом, с отводящими трубопроводами биогаза к запальной и основной горелкам, датчиком тяги, термопарами и электроприводом крана на входе в охладитель; дымоход и теплоизоляцию узлов, при этом электрогенерирующая ячейка выполнена в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого, ограничивающая полость высокого давления, приведена в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта движения продуктов сгорания в центральной его части, а электроды и твердый электролит выполнены в форме цилиндров, разделенных на секции, с диэлектрическими прокладками между ними, при этом электроды скоммутированы через штырьковые гермовводы, пропущенные через диэлектрические прокладки; при этом электроды и твердый электролит компрессорной ячейки также выполнены в форме цилиндров, разделенных на секции, с диэлектрическими прокладками между ними, при этом электроды скоммутированы через штырьковые гермовводы, пропущенные через диэлектрические прокладки, при этом регенеративный теплообменник и компрессорная ячейка расположены под электрогенерирующей ячейкой.

На фиг.1 изображена конструкция электротеплогенератора в разрезе;

на фиг.2 - то же, что на фиг.1 - сечение А-А; на фиг.3 - то же, что на фиг.1 - сечение Б-Б; на фиг.4 - диаграмма термодинамического цикла работы электротеплогенератора, зависимость температуры "Т" от энтропии "S"; на фиг.5 - энергетические характеристики электротеплогенератора, зависимость напряжения на электродах ячейки и удельной мощности от плотности тока на электродах ячейки.

Барогальванический электротеплогенератор содержит (фиг.1): 1 - электротеплогенератор; 2 - электрогенерирующая ячейка; 3 - компрессорная ячейка; 4 - диэлектрический корпус ячейки 2; 5 - твердый электролит ячейки 2; 6 - полость высокого давления ячейки 2; 7 - полость низкого давления ячейки 2; 8 - электрод высокого давления ячейки 2; 9 - электрод низкого давления ячейки 2; 10 - диэлектрический корпус ячейки 3; 11 - твердый электролит ячейки 3; 12 - полость высокого давления ячейки 3; 13 - полость низкого давления ячейки 3; 14 - электрод высокого давления ячейки 3; 15 -электрод низкого давления ячейки 3; 16 - теплообменник-регенератор; 17 -первый тракт теплообменника-регенератора; 18 - второй тракт теплообменника-регенератора; 19 - электрическая связь электродов 9 и 15; 20 - цилиндрический корпус-кожух; 21 - ножки; 22 - перфорированное основание; 23 - боковое запально-смотровое отверстие с заслонкой; 24 - коаксиально-цилиндрический тракт вертикального движения верх продуктов сгорания; 25 - турболизатор потока газов; 26 - основная газовая горелка в форме замкнутого трубчатого обруча; 27 - равномерно расположенные отверстия в основной горелке; 28 - основной подводящий трубопровод биогаза к основной горелке; 29 - кран с ручным приводом на основном трубопроводе биогаза; 30 - запальная горелка; 31 - подводящий трубопровод биогаза к запальной горелке; 32 - коаксиальный цилиндрический охладитель компрессорной ячейки системы отопления; 33 - циркулирующий через охладитель жидкий теплоноситель; 34 - кран с электроприводом на трубопроводе теплоносителя на входе в охладитель; 35 - кран с ручным приводом на трубопроводе теплоносителя на выходе из охладителя; 36 - зонт; 37 - обтекатель; 38 - коаксиально-цилинрический теплообменник контура горячего водоснабжения; 39 - вентиль с ручным приводом на трубопроводе с подводимой холодной водой на входе в теплообменник контура горячего водоснабжения; 40 - вентиль с ручным приводом на трубопроводе с отводимой подогретой водой на выходе из теплообменника контура горячего водоснабжения; 41 - внутренняя цилиндрическая поверхность теплообменника контура горячего водоснабжения, приведенная в плотный термический контакт с наружной цилиндрической поверхностью тракта движения продуктов сгорания в его конечной верхней части; 42 - узел автоматики безопасной работы по тяге и терморегулированию, включающий магнитный газовый клапан и терморегулятор, 43 - подводящий трубопровод биогаза к узлу автоматики; 44 - вентиль с ручным приводом на подводящем трубопроводе биогаза к узлу автоматики; 45 - термопара контроля температуры электрода низкого давления 9 электрогенерирующей ячейки 2; 46 - термопара контроля температуры электрода низкого давления 15 компрессорной ячейки 3; 47 - датчик тяги; 48 - дымоход; 49 -теплоизоляция узлов; 50 - цилиндрическая стенка, ограничивающая полость высокого давления электрогенерирующей ячейки 2, приведенная в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта в центральной его части; (фиг.2): 51 - секционный электрод электрода высокого давления 8 ячейки 2; 52 - секционный электрод электрода низкого давления 9 ячейки 2; 53 - секционный электролит твердого электролита 5 ячейки 2; 54 - диэлектрические прокладки; 55 - штырьковые гермовводы; 56 - электрическая коммутация электродов; 57 - наружная клемма секционного электрода 51 электрода высокого давления 8 ячейки 2 для подключения к минусовой клемме аккумуляторной батареи; (фиг.3): 58 - секционный электрод электрода высокого давления 14 ячейки 3; 59 - секционный электрод электрода низкого давления 15 ячейки 3; 60 - секционный электролит твердого электролита 11 ячейки 3; 61 - диэлектрические прокладки; 62 - штырьковые гермовводы; 63 - электрическая коммутация электродов; 64 - наружная клемма секционного электрода 58 электрода высокого давления 14 ячейки 3 для подключения к плюсовой клемме аккумуляторной батареи.

На фиг.4 изображено: (65-66) - процесс выработки электрической энергии в электрогенерирующей ячейке 2 при Т_1(мах)=600К; (66-67) - процесс охлаждения перегретого (или сухого) пара (газа) йода низкого давления P₂=const=10^-2 атм. от Т_1(мах)=600К до Т_2(min)=400K в первом тракте 17 теплообменника-регенератора 16; (67-68) - процесс сжатия пара йода низкого давления Р₂=10^-2 атм. при температуре T_2(min)=400K до пара высокого давления P₁=1 атм. за счет части электрической энергии, выработанной электрогенерирующей ячейкой 2; (68-65) - процесс нагрева пара йода высокого давления P₁=1 атм. от Т_2(min)=400K до Т_1(мах)=600К во втором тракте 18 теплообменника-регенератора 16. Цикл замкнут.

Биогазовый барогальванический электротеплогенератор (фиг.1-4) работает следующим образом.

Открывают вентиль 44. Биогаз по трубопроводу 43 через вентиль 44, блок автоматизации 42 и трубопровод 31 поступает к запальной горелке 30, которую поджигают через боковое запально-смотровое отверстие с заслонкой 23.

Открывают кран с ручным приводом 29, и зажигается основная газовая горелка в форме замкнутого трубчатого обруча 26. Продукты сгорания биогаза в коаксиально-цилиндрическом тракте вертикального движения вверх продуктов сгорания 24 интенсивно перемешиваются с помощью турбулизатора потока газов 25 и через стенку 50 нагревают электрогенерирующую ячейку 2 до температуры Т_1(мах)=600К. В ячейке 2 источником электродвижущей силы (ЭДС) служит перепад давления P₁ и Р₂ рабочего тела на ее электродах 8 и 9. В качестве рабочего тела используется пар йода. Разность термодинамических потенциалов Гиббса для рабочего тела, находящегося при различных давлениях P₁ и Р₂ в контакте с электродами 8 и 9, является количественной мерой ЭДС ячейки 2.

Рабочий процесс выработки электрической энергии складывается из нескольких стадий. Пар йода из полости высокого давления P₁ - 6 проникает через пористый электрод 8 в зону его контакта с твердым электролитом 5. Здесь происходит ионизация атомов или молекул йода путем обмена электронами на поверхности электрода 8 по реакции $$I_2+2\overline{e}\to 2I^{-}$$ и поступление ионов йода в среду твердого электролита 5, изготовленного, например, из йодистого свинца PbI, с проводимостью по ионам йода. Одновременно с этим происходит обратный процесс в зоне контакта твердого электролита 5 с электродом 9 по реакции $$2I^{-}-2\overline{e}\to I_2$$ : ионы йода выходят из твердого электролита 5 в виде нейтральных атомов или молекул, обмениваясь электронами с электродом 9.

Макроскопический рабочий процесс выглядит, как течение рабочего тела - йода через ячейку 2 под действием перепада давлений P₁ и Р₂ так, что ионная составляющая проходит через твердый электролит 5, а электронная составляющая проходит через внешнюю электрическую цепь, подсоединенную к наружным клеммам 57 и 64 генератора 1. Процесс электрогенерации в ячейке 2 (фиг.4) представлен изотермическим процессом (65-66).

Из полости низкого давления 7 ячейки 2 пар йода с давлением P_2(min)=10^-2 и температурой Т_1(мах)=600К поступает в первый тракт 17 теплообменника-регенератора 16, где охлаждается - процесс (66-67) на фиг.4, до температуры Т_2(min)=400K после чего поступает в полость низкого давления 13 компрессорной ячейки 3.

За счет части электрической энергии, выработанной электрогенерирующей ячейкой 2, происходит изотермический процесс сжатия пара низкого давления Р₂=10^-2 атм. при температуре Т_2(min)=400K компрессорной ячейки 3 с выделением ею тепла - процесс (67-68) на фиг.4.

Рабочий процесс сжатия в компрессорной ячейке 3 состоит в ионизации пара йода низкого давления Р₂=10^-2 атм. в полости 13 по реакции $$I_2+2\overline{e}\to 2I^{-}$$ на границе электрод 15 - электролит 11, перетоке ионов йода через слой электролита 11 под действием градиента электростатического поля, рекомбинации ионов йода на границе электролит 11 - электрод 14 по реакции $$2I^{-}-2\overline{e}\to I_2$$ в полости высокого давления пара йода 12 - P₁=1 атм.

Тепло сжатия пара йода в компрессорной ячейке 3 забирается теплоносителем 33, циркулирующим через коаксиальный цилиндрический охладитель компрессорной ячейки системы отопления 32, и используется на отопление энерго-автономного дома.

Из полости 12 ячейки 3 пар йода с давлением Т_1(мах)=1 атм и температурой T_2(min)=400K поступает во второй тракт 18 теплообменника-регенератора 16, где нагревается до температуры Т_1(мах)=600К - процесс (68-65) на фиг.4 и поступает в полость высокого давления 6 электрогенерирующей ячейки 2. Цикл замкнут (фиг.4). Работа цикла получается в форме электрической энергии, снимаемой с наружных клемм 57 (фиг.2) и 64 (фиг.3), а отводимое от компрессорной ячейки 3 тепло теплоносителем 33 в охладителе 32 идет на отопление дома.

Через коаксиально-цилиндрический теплообменник контура горячего водоснабжения 38 прокачивается холодная вода, которая через стенку 41 аккумулирует тепло уходящих через обтекатель 37, зонт 36 и дымоход 48 газов, нагревается и используется на горячее водоснабжение.

Электродвижущая сила электрогенерирующей ячейки 2 определяется по формуле:

$$E_{яч.2}=-\frac{\Delta G}{Z\cdot F}=\frac{R\cdot T_{1\left(max\right)}}{Z\cdot F}\cdot ln\frac{P_1}{P_2}\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(1\right)$$

где: ΔG - перепад термодинамического потенциала Гиббса, Дж/моль;

Z - валентность иона йода, переносчика заряда в системе Z=2;

F - число Фарадея, 96500 Кл/моль ≈ 10^-4 Кл/моль;

R - газовая постоянная, $$1,987\approx 2\frac{кал}{моль\cdot град}$$

P₁=1 атм; P₂=10^-2 атм; Т_1(мах)=600К.

Подставляя значения этих величин в формулу (1), получим:

$$E_{яч.2}=\frac{2\cdot 600\cdot 2,3\cdot 2}{2\cdot 10^{-4}}=0,276B\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(2\right)$$

ЭДС компрессорной ячейки 3 будет равно:

$$E_{яч.3}=\frac{R\cdot T_{2\left(min\right)}}{Z\cdot F}\cdot ln\frac{P_1}{P_2}=\frac{2\cdot 400\cdot 2,3\cdot 2}{2\cdot 10^{-4}}=0,184B\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(3\right)$$

Напряжение на электродах 8, 14 (фиг.1) последовательно соединенных двух ячеек 2 и 3 будет равно:

$$E_{ген.}=E_{яч.2}-E_{яч.3}=0,276B-0,184B=0,092B\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(4\right)$$

Удельная мощность на электродах 8, 14, последовательно соединенных двух ячеек 2 и 3 будет равна:

$$W=\left(E_{ген}-\frac{{\delta }_{электр}}{{\ae }_{электр}}\cdot I\right)\cdot IВт/с{м}^2\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(5\right)$$

В качестве электролита примем йодистый свинец PbI с электропроводимостью æ_электр=0,1 1/Ом·см и толщину электролита примем δ_электр=0,1 см, тогда формула (5) примет вид:

$$W=\left(\mathrm{0,092}\cdot I\right)\cdot IВ\text{}т/с{м}^2\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(6\right)$$

На фиг.5 представлены расчетные значения напряжений на электродах 8, 14 одного модуля (фиг.1) с электрической регенерацией и его удельной мощности, рассчитанные по формулам (1-6), в зависимости от плотности тока на электродах 8, 14. Как видно из графика (фиг.5), при работе в режиме максимальной удельной мощности, составляющей W=2,12·10^-3 Вт/м², напряжение на электродах 8, 14 составит величину 0,046 В при плотности тока на них 0,046 А/см².

Предельная эффективность цикла (фиг.4) прямого преобразования тепловой энергии сжигаемого биогаза в электрическую энергию (без учета утилизируемой тепловой энергии сжигаемого биогаза на отопление и горячее водоснабжение) будет равна:

$${\eta }_{карно}=\frac{T_{1\left(мах\right)}-T_{2\left(min\right)}}{T_{1\left(мах\right)}}=0,33\begin{array}{ccc}& & \end{array}\left(7\right)$$

В предложенном электротеплогенераторе используются дешевые вещества - йод и йодистый свинец. В современных условиях пористые электроды 8, 9, 14, 15 и электродные блоки, включающие пористые электроды и твердый электролит 8, 5, 9 и 14, 11, 15 могут быть изготовлены с использованием новых наноматериалов (нанотрубок из графита) и нанопроцессов (напылением).

Эти обстоятельства являются предпосылкой к снижению удельной стоимости вырабатываемой электроэнергии при одновременной утилизации тепла сжигаемого биогаза на отопление и горячее водоснабжение энергоавтономного дома.

Изобретение относится к энергетике. В биогазовом барогальваническом электротеплогенераторе, содержащем циркуляционный газовый контур, включающий электрогенерирующую и компрессорную барогальванические ячейки, каждая из которых выполнена в виде диэлектрического корпуса; твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления; электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом, электрогенерирующая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а компрессорная ячейка выполнена с возможностью ее охлаждения посредством источника холода. Изобретение позволяет повысить эффективность использования тепла сжигаемого биогаза. 5 ил.

Биогазовый барогальванический электротеплогенератор, содержащий циркуляционный газовый контур, включающий электрогенерирующую и компрессорную барогальванические ячейки, каждая из которых выполнена в виде диэлектрического корпуса; твердого электролита, выполненного из материала с ионной проводимостью и установленного в корпусе с возможностью его разделения на полости высокого и низкого давления;
электродов, выполненных газопроницаемыми из материала с электронной проводимостью и установленных в полостях высокого и низкого давления в контакте с твердым электролитом, при этом электрогенерирующая ячейка выполнена с возможностью ее нагревания посредством источника тепла, а компрессорная ячейка выполнена с возможностью ее охлаждения посредством источника холода; при этом полости высокого давления и полости низкого давления обеих ячеек связаны посредством теплообменника-регенератора, а электроды, установленные в полостях низкого давления ячеек, электрически связаны между собой, отличающийся тем, что электротеплогенератор дополнительно содержит: цилиндрический корпус-кожух с ножками с перфорированным основанием и боковым запально-смотровым отверстием; коаксиально-цилиндрический тракт вертикального движения вверх продуктов сгорания с турбулизатором потока газов; основную горелку в форме трубчатого обруча с равномерным расположением отверстий в нем для выхода биогаза и подводящим трубопроводом биогаза с краном с ручным приводом; запальную горелку с подводящим трубопроводом биогаза; коаксиальный цилиндрический охладитель системы отопления с циркулирующим через него жидким теплоносителем с краном с электроприводом на входе и краном с ручным приводом на выходе, при этом компрессорная барогальваническая ячейка выполнена в форме коаксиального цилиндра, эквидистантно расположенного внутри охладителя; зонт с обтекателем; теплообменник горячего водоснабжения с вентилями с ручным приводом на входе и выходе, при этом теплообменник выполнен в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого приведена в плотный термический контакт с наружной цилиндрической поверхностью тракта движения продуктов сгорания в его конечной верхней части; узел автоматики безопасной работы по тяге и терморегулированию, содержащий магнитный газовый клапан, обеспечивающий полное прекращение подачи биогаза к основной и запальной горелкам при погасании пламени в последней, терморегулятор, обеспечивающий автоматическое регулирование температуры теплоносителя в охладителе, при этом узел автоматики соединен с подводящим трубопроводом биогаза вентилем с ручным приводом, отводящими трубопроводами биогаза к запальной и основной горелкам, датчиком тяги, термопарами и электроприводом крана на входе в охладитель; дымоход и теплоизоляцию узлов, при этом электрогенерирующая ячейка выполнена в форме коаксиального цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность которого, ограничивающая полость высокого давления приведена в плотный термический контакт с наружной поверхностью коаксиально-цилиндрического тракта движения продуктов сгорания в центральной его части, а электроды и твердый электролит выполнены в форме цилиндров, разделенных на секции с диэлектрическими прокладками между ними, при этом электроды скоммутированы через штырьковые гермовводы, пропущенные через диэлектрические прокладки; при этом электроды и электролит компрессорной ячейки также выполнены в форме цилиндров, разделенных на секции, с диэлектрическими прокладками между ними, при этом электроды скоммутированы через штырьковые гермовводы, пропущенные через диэлектрические прокладки, при этом регенеративный теплообменник и компрессорная ячейка расположены под электрогенерирующей ячейкой.