НАГРЕВАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2017 года по МПК F24J1/00 

ПЕРЕКРЕСТНЫЕ ССЫЛКИ НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки США № 61/999582 от 1 августа 2014 г., содержимое которой включено в данный документ с помощью ссылки.

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к системам теплопередачи, в частности к устройствам для передачи тепла текучей среде.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Многие системы передачи применяют горячие текучие среды в качестве среды теплопередачи. Такие системы содержат генератор тепла для генерации тепла, среду теплопередачи в тепловой связи с источником энергии и насос для перемещения нагретой среды, где бы ни потребовалось тепло. Вследствие ее высокой теплоемкости и изобилия, обычной текучей средой теплопередачи является вода, в ее как жидкой, так и газообразной фазе.

На практике применяют множество генераторов тепла. Например, в атомных станциях для нагрева воды энергию обеспечивает ядерное деление. Также существуют солнечные устройства нагрева воды, которые используют солнечную энергию. Однако большинство источников теплопередачи используют экзотермическую химическую реакцию и, в частности, сжигание некоторого топлива.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В одном аспекте настоящее изобретение представляет устройство для нагрева текучей среды, устройство содержит резервуар для удержания текучей среды, подлежащей нагреву, и топливный брикет в гидравлической связи с текучей средой, топливный брикет содержит топливную смесь, содержащую реагенты и катализатор, и источник тепла или источник зажигания в тепловой связи с топливной смесью и катализатором. Источник тепла или источник зажигания может представлять собой электрический резистор или источник тепла, который использует либо тепло от сгорания, такое как сжигание природного газа, или источник тепла, который использует индукционный нагрев.

Среди вариантов осуществления имеются те, в которых топливная смесь содержит литий и алюмогидрид лития, те, в которых катализатор содержит элемент 10 группы, такой как никель в порошковой форме, или любое их сочетание.

В других вариантах осуществления катализатор в порошковой форме обработан для улучшения его пористости. Например, катализатор может представлять собой никелевый порошок, который был обработан для улучшения его пористости. Устройство также может содержать источник электроэнергии, такой как источник напряжения и/или источник тока в электрической связи с источником тепла.

Среди других вариантов осуществления имеются те, в которых топливный брикет содержит многослойную структуру, имеющую слой топливной смеси в тепловой связи со слоем, содержащим источник тепла.

В еще других вариантах осуществления топливный брикет содержит центральную нагревающую вставку и пару топливных вставок, расположенных на каждой стороне нагревающей вставки.

Могут быть использованы разнообразные резервуары. Например, в некоторых вариантах осуществления резервуар содержит углубление для приема в него топливного брикета. Среди них имеются варианты осуществления, в которых резервуар дополнительно содержит дверцу для уплотнения углубления. В еще других вариантах осуществления резервуар содержит теплозащитный экран. Также среди вариантов осуществления имеются те, которые дополнительно содержат контроллер, связанный с источником напряжения. Среди них имеются контроллеры, которые выполнены с возможностью изменения напряжения под действием температуры текучей среды, подлежащей нагреву.

В другом аспекте настоящее изобретение представляет устройство для нагрева текучей среды, устройство содержит средство для содержания текучей среды и средство для удержания топливной смеси, содержащей катализатор и реагент, и средство для запуска последовательности реакций посредством катализатора для вызова экзотермической реакции.

Другой аспект настоящего изобретения представляет соединение вещества для генерации тепла, соединение содержит смесь никелевого порошка с улучшенной пористостью, литиевого порошка и литий-алюминиевого порошка. Источник тепла в тепловой связи со смесью может быть использован для запуска катализированной никелем экзотермической реакции.

Еще один аспект представляет соединение для генерации тепла. Соединение содержит топливную смесь и катализатор. Катализатор содержит элемент 10 группы.

Варианты осуществления включают те, в которых катализатор содержит никель. Среди них имеются варианты осуществления, в которых никель имеет форму никелевого порошка, и те, в которых никелевый порошок был обработан для улучшения его пористости.

Другим аспектом настоящего изобретения является способ нагрева текучей среды, способ включает расположение смеси никелевого порошка, литиевого порошка и алюмогидрида лития в тепловой связи с текучей средой и нагрев смеси, таким образом запуская экзотермическую реакцию в смеси.

Эти и другие признаки настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания и сопутствующих графических материалов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Фиг. 1 - изображение системы теплопередачи, имеющей источник тепла;

фиг. 2 - вид с частичным разрезом источника тепла, представленного на фиг. 1;

фиг. 3 - изображение в поперечном сечении брикета для применения с источником тепла, представленным на фиг. 2;

фиг. 4 - изображение иллюстративного резистора в центральном слое брикета, представленного на фиг. 3;

фиг. 5 - изображение источника тепла, представленного на фиг. 1, работающего с обычной печью;

фиг. 6 - изображение нескольких источников тепла, наподобие представленного на фиг. 2, соединенных последовательно;

фиг. 7 - изображение нескольких источников тепла, наподобие представленного на фиг. 2, соединенных параллельно.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Обращаясь к фиг. 1, система 10 теплопередачи содержит трубу 12 для перемещения нагретой текучей среды в замкнутом контуре между источником 14 тепла и тепловой нагрузкой 16. В большинстве случаев, например, когда необходимо преодолеть гидравлическое сопротивление, нагретую текучую среду прокачивает насос 18. Однако в некоторых случаях, например, когда нагретая текучая среда является паром, для продвижения текучей среды достаточно собственного давления текучей среды. Обычная тепловая нагрузка 16 содержит батареи, такие как обычно применяют для нагрева внутренних пространств.

Как представлено на фиг. 2, источник 14 тепла представляет собой резервуар 20, имеющий свинцовый композитный экран, впускное отверстие 22 и выпускное отверстие 24, каждое из которых соединено с трубой 12. Внутренняя часть резервуара 20 содержит текучую среду, подлежащую нагреву. Во многих случаях текучая среда представляет собой воду. Однако могут быть использованы и другие текучие среды. Кроме того, текучая среда не обязана быть жидкой текучей средой, но также может быть газом, таким как воздух.

Резервуар 20 также содержит дверцу 26, которая ведет в приемник 28, входящий в резервуар 20. Радиаторные ребра 30 выступают из стенок приемника 28 в резервуар 20. Для максимального увеличения теплопередачи приемник 28 и ребра 30, как правило, изготавливают из материала, имеющего большую теплопроводность, такого как металл. Подходящим металлом является металл, не подвергающийся коррозии, такой как нержавеющая сталь.

Приемник 28 удерживает многослойный брикет 32 для генерации тепла. Источник 33 напряжения соединен с брикетом 32 и с контроллером 35 для управления источником 33 напряжения под действием температуры текучей среды в резервуаре 12, как измерено датчиком 37.

Как представлено на фиг. 3, многослойный топливный брикет 32 содержит нагревательную секцию 34, зажатую между двумя топливными секциями 36, 38. Нагревательная секция 34 отличается тем, что содержит центральный слой 40, изготовленный из изоляционного материала, такого как слюда, который поддерживает резистор 42. Следует отметить, что могут быть применены другие источники тепла, включая источники тепла, которые используют сжигание, например, природного газа, а также источники тепла, которые используют электрическую индукцию. Применение газа, таким образом, устраняет потребность в наличии источника электроэнергии для запуска реакции.

Фиг. 4 представляет иллюстративный центральный слой 40, имеющий отверстия 44, через которые продет провод 42 сопротивления. Этот провод 42 сопротивления соединен с источником 33 напряжения. Первый и второй изоляционные слои 46, 48, такие как слои слюды, охватывают центральный слой 40 для обеспечения электрической изоляции от смежных топливных секций 36, 38.

Каждая топливная секция 36, 38 отличается тем, что имеет пару теплопроводных слоев 50, 52, таких как стальные слои. Между каждой парой проводящих слоев 50, 52 зажат топливный слой 54, который содержит топливную смесь, содержащую никель, литий и алюмогидрид лития LiAlH₄ ("LAH"), все в порошковой форме. Предпочтительно никель обработан для увеличения его пористости, например, путем нагрева никелевого порошка в течение такого времени и до таких температур, которые выбраны для перегрева любой воды, имеющейся в микрополостях, которые присущи каждой частице никелевого порошка. Давление возникающего в результате пара приводит к взрывам, которые создают более крупные полости, а также дополнительные более мелкие частицы никеля.

Весь набор слоев сваривается вместе со всех сторон для образования запаянного элемента. Размер брикета 32 не имеет значения для его функциональности. Однако с брикетом 32 легче работать, если он приблизительно 1/3 дюйма в толщину и по 12 дюймов с каждой стороны. Стальные слои 50, 52, как правило, имеют толщину 1 мм, а слои слюды 40, 48, которые покрыты защитным полимерным покрытием, имеют толщину порядка 0,1 мм. Однако могут быть применены и другие толщины.

В работе источником 33 напряжения прикладывается напряжение для нагрева резистора 42. Тепло от резистора 42 затем передается проводимостью на топливные слои 54, где оно запускает последовательность реакций, последняя из которых является обратимой. Эти реакции, которые катализируются наличием никелевого порошка, имеют вид:

3LiAlH₄-> Li₃AlH₆ + 2A1 + 3H₂

2Li₃AlH₆-> 6LiH + 2A1 + 3H₂

2LiH + 2A1 -> 2LiAl + H₂

После запуска последовательности реакций источник 33 напряжения может быть отключен, поскольку последовательность реакций является самоподдерживающейся. Однако скорость реакции не может быть постоянной. Поэтому может быть желательно включать источник 33 напряжения в определенное время для повторного разгона реакции. Чтобы определить включать или не включать источник 33 напряжения, температурный датчик 37 подает сигнал на контроллер 35, который затем определяет, прикладывать или не прикладывать напряжение в качестве ответной реакции на температурный сигнал. Было обнаружено, что после того, как реакция сгенерирует приблизительно 6 киловатт-час энергии, желательно прикладывать приблизительно 1 киловатт-час электроэнергии для повторного разгона последовательности реакций.

В конце концов, эффективность брикета 32 будет падать до точки, в которой непрерывно повторно разгонять последовательность реакций становится экономически невыгодно. В этой точке брикет 32 можно просто заменить. Как правило, до того как понадобится замена, брикет 32 выдержит приблизительно 180 дней непрерывной работы.

Порошок в топливной смеси состоит в основном из сферических частиц, имеющих диаметры в диапазоне от нанометров до микрометров, например, от 1 нанометра до 100 микрометров. Изменения в соотношении реагентов и катализатора обычно обуславливают скорость реакции и не являются критически важными. Однако было обнаружено, что подходящая смесь содержит начальную смесь из 50% никеля, 20% лития и 30% LAH. В этой смеси никель действует как катализатор для реакции и сам не является реагентом. Хотя никель является особо полезным вследствие своей относительной распространенности, его функция также может быть выполнена другими элементами из столбца 10 периодической системы, такими как платина или палладий.

На фиг. 5—7 представлены разные способы присоединения источника 14 тепла, представленного на фиг. 1.

На фиг. 5 источник 14 тепла расположен ниже по потоку относительно обычной печи 56. В этом случае контроллер 35 необязательно присоединен для управления обычной печью. В результате обычная печь 56 будет оставаться выключенной, пока выходная температура источника 14 тепла не упадет ниже некоторого порогового значения, при котором печь 56 будет запущена. В этой конфигурации обычная печь 56 работает как резервный элемент.

На фиг. 6 первый и второй источники 58, 60 тепла, наподобие представленных на фиг. 1—4, соединены последовательно. Эта конфигурация обеспечивает более высокую выходную температуру, чем та, которая может быть обеспечена только одним источником 58 тепла. Дополнительные источники тепла могут быть добавлены последовательно для последующего повышения температуры.

На фиг. 7 первый и второй источники 62, 64 тепла, наподобие представленных на фиг. 1—4, соединены параллельно. В этой конфигурации выходной объем может быть сделан больше, чем тот, который мог бы быть обеспечен одним элементом теплопередачи. Дополнительные элементы теплопередачи могут быть добавлены параллельно, чтобы еще более увеличить объем.

В одном варианте осуществления реагенты размещают в реакционной камере при давлении 3—6 бар и температуре от 400 до 600°C. Анод размещают на одной стороне реактора, и катод размещают на другой стороне реактора. Это ускоряет электроны между ними до степени, достаточной для наличия очень высокой энергии, более 100 кэВ. Регулирование энергии электронов может быть выполнено путем регулирования электрического поля между катодом и анодом.

После описания настоящего изобретения и его предпочтительного варианта осуществления далее представлена формула изобретения, содержащая новые признаки и определяющая объем охраны.

Устройство для нагрева текучей среды содержит резервуар для удержания текучей среды, подлежащей нагреву, и топливный брикет в гидравлической связи с текучей средой, причем топливный брикет содержит топливную смесь, содержащую реагенты и катализатор, и источник зажигания в тепловой связи с топливной смесью и катализатором. Источник зажигания выбирают из группы, состоящей из индукционного нагревательного устройства, электрического резистора, нагревательного устройства, которое использует сжигание природного газа, и нагревательного устройства, которое использует сжигание топлива. Топливный брикет выполнен с возможностью обеспечения тепловой связи с указанной текучей средой. Резистор выполнен с возможностью соединения с источником напряжения. Устройство дополнительно содержит контроллер, связанный с указанным источником напряжения, и температурный датчик. Топливная смесь содержит литий и алюмогидрид лития. Катализатор содержит элемент 10 группы. Контроллер выполнен с возможностью отслеживания температуры с температурного датчика и на основании по меньшей мере частично указанной температуры повторно разгонять реакцию в топливной смеси. Повторный разгон указанной реакции включает изменение напряжения указанного источника напряжения. Изобретение направлено на получение высокой выходной температуры. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство для нагрева текучей среды, причем указанное устройство содержит резервуар для удержания текучей среды, подлежащей нагреву, и топливный брикет в гидравлической связи с указанной текучей средой, причем указанный топливный брикет содержит топливную смесь, содержащую реагенты и катализатор, и источник зажигания в тепловой связи с указанной топливной смесью и указанным катализатором, отличающееся тем, что источник зажигания выбирают из группы, состоящей из индукционного нагревательного устройства, электрического резистора, нагревательного устройства, которое использует сжигание природного газа, и нагревательного устройства, которое использует сжигание топлива, причем указанный топливный брикет выполнен с возможностью обеспечения тепловой связи с указанной текучей средой, причем указанный резистор выполнен с возможностью соединения с источником напряжения, причем указанное устройство дополнительно содержит контроллер, связанный с указанным источником напряжения, и температурный датчик, причем указанная топливная смесь содержит литий и алюмогидрид лития, причем указанный катализатор содержит элемент 10 группы, причем указанный контроллер выполнен с возможностью отслеживания температуры с указанного температурного датчика и на основании по меньшей мере частично указанной температуры повторно разгонять реакцию в указанной топливной смеси, причем повторный разгон указанной реакции включает изменение напряжения указанного источника напряжения.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный катализатор содержит никелевый порошок.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что указанный никелевый порошок обработан для улучшения его пористости.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный топливный брикет содержит многослойную структуру, имеющую слой указанной топливной смеси в тепловой связи со слоем, содержащим указанный электрический резистор.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный топливный брикет содержит центральную нагревательную вставку и пару топливных вставок, расположенных на каждой стороне указанной нагревательной вставки.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный резервуар содержит углубление для приема указанного топливного брикета в него.

7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что указанный резервуар дополнительно содержит дверцу для уплотнения указанного углубления.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанный резервуар содержит теплозащитный экран.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что указанная реакция в указанной топливной смеси по меньшей мере частично обратима.

10. Устройство по п. 9, отличающееся тем, что указанная реакция включает реагирование гидрида лития с алюминием для получения газа водорода.