Автономный генератор тепла и электричества для железнодорожного транспорта Российский патент 2021 года по МПК F01K27/00 C01B3/00 

Область техники

Изобретение относится к области водородной энергетики, конкретно к автономным генераторам тепла и электричества для железнодорожного транспорта.

Уровень техники.

Известны автономные генераторы тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта [Поезд «Coradia iLint» на водороде, DE, Alstom Transport /www.railway-technology.com/projects/coradia-ilint-regional-train/, EP3300943, US2018093586, CA2980817], содержащие электролизеры для получения из воды водорода и кислорода, установленные вдоль железнодорожного полотна в виде водородных заправочных станций (ВЗС). На крыше тягового вагона установлены емкости для водорода и топливный элемент для преобразования водорода в тепло, электричество и воду. Выходы топливного элемента соединены по теплу с системой отопления вагона, по воде - с системой водоснабжения и по электричеству – с электроприводом колесных пар, системой электропитания электрооборудования вагона и аккумуляторной батареей.

Недостатками известных АГТЭ являются:

- повышенная пожароопасность, связанная с хранением больших объёмов водорода под давлением сотни атмосфер на ВЗС и на крыше вагона;

- повышенные затраты энергии на электролизное разложение воды на водород и кислород, а также на сжатие и сжижение водорода.

Известен АГТЭ для силового вагона водно-водородного поезда [CN105390718], лишенный указанных недостатков.

Известный АГТЭ [CN105390718] включает последовательно соединенные емкость для раздельного хранения смеси воды и метанола, установку для производства газов водорода и кислорода из указанной жидкой смеси непосредственно на борту вагона, мембранный преобразователь газовой смеси в электричество для электропривода колесных пар и электропитания электрооборудования вагона.

Недостатками известного АГТЭ [CN105390718] являются:

- производство газов водорода и кислорода из жидкой смеси воды и метанола требует применения дорогостоящих катализаторов из редкоземельных и благородных металлов, а также требует относительно высоких температур начала химических реакций выделения кислорода из смеси воды и метанола;

- сложность конструкции и недостаточная производительность мембранного преобразователя газовой смеси водорода и кислорода в электричество.

Известен АГТЭ [RU136427], лишенный указанных выше недостатков изобретения [CN105390718].

Известный АГТЭ [RU136427] включает последовательно соединенные химический реактор для производства пара и паротурбинный энергоблок для производства из пара электрической и тепловой энергии. При этом химический реактор для производства пара использует экзотермическую реакцию окисления алюминия (Al) водой (H₂O) с выделением тепла (15 кДж/г Al) при соотношении масс воды и алюминия (8,0÷9):1. Коммерческими выходными продуктами АГТЭ [RU136427], кроме тепла и электричества, являются водород и гидроксид алюминия AlOOH, получаемые на основе реакции Al+2H2O=AlOOH+1,5H2+415,24 кДж/моль при температуре 330±30°C.

Недостатками известного АГТЭ [RU136427] являются:

- пониженный коэффициент полезного действия по теплу и электричеству, связанный с производством коммерческого водорода в ущерб производству тепла и электричества;

- невозможность включения экзотермической реакции алюминия (Al) с водой (H2O) при нормальных значениях температуры и давления из-за наличия трудно растворимой оксидной пленки на поверхности алюминия;

- требуется внешний источник электричества для нагрева и инициирования химической реакции алюминия (Al) с водой (H2O).

Известен АГТЭ [RU2735883], выбранный в качестве прототипа и лишенный указанных выше недостатков предыдущего аналога.

Известный АГТЭ [RU2735883] содержит цифровой блок управления (ЦБУ), а также связанные с ним по управлению устройство отбора тепла (УОТ) и последовательно установленные химический генератор водорода (ХГВ), ресивер и преобразователь энергии горения водорода в электрическую энергию (ПЭГВ).

При этом химический генератор водорода выполнен на основе реакции (1) алюминия с водой

Al+2H₂O + К = AlOOH+1,5H₂ +415,24 кДж/моль (99,17 ккал/моль) (1)

в присутствии катализатора (К), разрушающего оксидную пленку алюминия и обеспечивающего выделение тепла и водорода при нормальных значениях температуры и давления внешней среды. Катализатор (К) выполнен из обезвоженного гидроксида щелочного металла, или сплава галлия, индия и олова. ПЭГВ содержит камеру сжигания водорода в воде, выход которой по пару соединен с турбиной генератора электрического тока. Устройство отбора тепла выполнено с возможностью отбора тепла от камеры сжигания водорода в виде двухконтурного теплообменника. Первый контур которого содержит металложидкостный теплоноситель, а второй – воду для систем отопления и горячего водоснабжения.

Основными недостатками известного АГТЭ [RU2735883] являются:

- пониженная надежность работы турбины генератора электрического тока и АГТЭ в целом, связанные с повышенной (≥100 см/с) скоростью горения водорода;

- относительно высокая стоимость катализатора (К), разрушающего оксидную пленку алюминия в генераторе водорода.

Постановка задачи и цели изобретения

Задачей изобретения является создание АГТЭ, пожаробезопасного и пригодного для использования в пассажирских вагонах локомотивной тяги при стоянках поезда и аварийных ситуациях в тяговой высоковольтной электросети, а также на самоходном подвижном составе для питания тяговых двигателей.

Техническим результатом – повышение надежности работы АГТЭ и создание комфортных условий по теплу и электричеству для пассажиров в вагонах при остановках поезда, превышающих по времени ресурс работы аккумуляторных батарей.

Сущность изобретения

Согласно изобретению, автономный генератор тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта содержит цифровой блок управления (ЦБУ), устройство отбора тепла (УОТ), а также последовательно установленные химический генератор водорода (ХГВ), ресивер и преобразователь энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию. При этом управляющие входы УОТ, ХГВ, ПЭГВ соединены с соответствующими управляющими выходами ЦБУ 1.

Новыми отличительными признаками АГТЭ по сравнению с известным [RU2735883] являются:

- дополнительное введение регулятора качества водородной смеси (РКВС);

- установка РКВС между ресивером и ПЭГВ;

- выполнение ПЭГВ в виде последовательно установленных и технологически связанных двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и приводного генератора электрического тока (ГЭТ);

- выполнение РКВС в виде управляемого смесителя водорода с негорючими газами ДВС;

- соединение смесителя по водородному входу через дозатор водорода, а по негорючим газам (НГ) – через дозатор НГ, компрессор и воздухозаборник с выходом выхлопной трубы ДВС;

- выполнение ХГВ в виде блока съемных картриджей, соединенных по водородному выходу через коллектор с ресивером;

- начинка съемных картриджей химическим веществом, вступающим в экзотермическую реакцию с водой для выделения тепла и водорода;

- установка съемных картриджей в устройстве отбора тепла (УОТ);

- выполнение УОТ в виде теплообменника, снабженного водяной рубашкой с цилиндрическими выемками для съемных картриджей;

- снабжение теплообменника УОТ патрубками ввода холодной и вывода горячей воды для системы отопления и/или горячего водоснабжения;

- снабжение блока съемных картриджей ХГВ не менее, чем одним съемным пусковым картриджем (СПК), и не менее, чем одним съемным рабочим картриджем (СРК);

- выполнение химического вещества СПК в виде смеси порошка алюминия и каустической соды, а химического вещества СРК - в виде порошка и/или стружки алюминия;

- снабжение съемных картриджей с одной торцевой стороны патрубками вывода водорода, снабженными внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе соединительного окна коллектора, а с другой торцевой стороны – обратным клапаном с быстроразъемной муфтой для подвода воды;

- соединение полостей картриджей через дозаторы воды, быстроразъемные муфты и гибкие шланги с полостью водяной рубашкой УОТ.

Доказательство связи отличительных признаков изобретения с заявленным техническим результатом.

Дополнительное введение регулятора качества водородной смеси (РКВС), установленного между ресивером и ПЭГВ и выполненного в виде управляемого смесителя газов, снабженного дозатором водорода (ДВ) и дозатором негорючих газов (ДНГ), а также соединенного входа ДНГ через компрессор и воздухозаборник с выходом выхлопной трубы ДВС позволяют разбавить водород негорючими выхлопными газами ДВС, снизить качество горючей смеси и довести скорость (V) ее горения до приемлемых (V = 40-60 см/с) для ДВС значений. Снижение скорости горения водородной смеси до скорости горения метана согласно [US3982878, US4167919] достигается за счет увеличения процентного содержания азота, двуокись углерода и конденсат воды. Благодаря этому обеспечивается возможность использовать указанную выше водородную смесь для выработки электричества с помощью классических универсальных ПЭГВ типа СПЕЦ HG-2700 требуемой мощности (фиг. 13) без изменения их конструкции.

Выполнение ХГВ в виде коллектора вывода водорода с блоком съемных картриджей, винтовое крепление картриджей в коллекторе, а также загрузка их алюминием, вступающим в экзотермическую реакцию с водой, позволяют конструировать ХГВ под максимально необходимую тепловую мощность и водородную производительность путем подбора объема и их количества картриджей в коллекторе.

Установка картриджей ХГВ в устройстве отбора тепла (УОТ), выполненного в виде теплообменника с соответствующими выемками под картриджи и патрубками ввода и вывода воды, позволяют производить отбор тепла от внешней горячей поверхности картриджей для систем отопления и/или горячего водоснабжения.

Выполнение блока картриджей ХГВ из не менее, чем один пусковой картридж (СПК), и не менее, чем один рабочий картридж (СРК), загруженные соответственно смесью порошка алюминия и каустической соды и алюминием в виде порошка и/или стружки позволяют снизить потери энергии на запуск ХГВ за счет разности (≈300°C) температур инициализации в них экзотермических реакции.

Снабжение съемных картриджей патрубками вывода водорода, снабженными внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе соединительного окна коллектора, а с другой торцевой стороны – обратным клапаном с быстроразъемной муфтой для подвода воды позволяют оперативно производить замену отработавших картриджей и, тем самым, снизить простои ХГВ и АГТЭ в целом.

Соединение полостей картриджей с полостью водяной рубашки УОТ через дозаторы воды, управляемые от ЦБУ, через быстроразъемные муфты и через гибкие шланги, а также снабжение ресивера пневматическим датчиком давления водорода и соединение его с сигнальным входом ЦБУ позволяет автоматически управлять подачей воды в полости картриджей и, как следствие, регулировать температуру химической реакции, объем производимого водорода и давление водорода на входе РКВС.

Введение регулятора качества водородной смеси (РКВС), содержащего смеситель горючих (Н₂) и негорючих газов (НГ), соединенный по водороду с выходом ресивера через дозатор водорода, по негорючим газам (НГ) – через дозатор НГ, через компрессор и через воздухозаборник с выходом выхлопной трубы ДВС, а также соединение управляющих входов дозаторов с ЦБУ позволяет разбавить водород негорючими отработанными газами ДВС снизить температуру и скорость горения топливной смеси (Н₂ + НГ) на входе ПЭГВ до приемлемых значений.

Выполнение ПЭГВ в виде последовательно установленных и технологически связанных двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и приводного генератора электрического тока (ГЭТ) вместо турбинного генератора тока [RU2735883] позволяет повысить коэффициент преобразования энергии горения водородной смеси в электричество за счет меньших потерь энергии сжигаемых газов в ДВС с ГЭТ по сравнению с турбинными электрогенераторами.

В целом указанные технические преимущества позволяют повысить надежности работы АГТЭ для железнодорожного транспорта, исключить возможность потери тепла и электричества в пассажирских вагонах и создать комфортные условий по теплу и электричеству для пассажиров при остановках поезда и аварийных ситуациях, превышающих по времени ресурс работы аккумуляторных батарей.

Сущность изобретения поясняется рисунками, представленными на фиг. 1 – фиг. 13.

На фиг. 1 представлена схема производства и использования водорода в железнодорожном транспорте, на фиг. 2- функциональная схема автономного генератора тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта, на фиг. 3 – рисунок, поясняющий конструкцию химического генератора водорода (ХГВ), на фиг. 4 - рисунок, поясняющий конструкцию теплообменника ХГВ, на фиг. 5 – вид теплообменника с нижней его стороны, на фиг. 6, фиг.7 – конструкция ХГВ и теплообменника (ТОБ) в сборе с верхним и нижним выводом водорода соответственно, на фиг. 8, фиг. 9 – виды сборной конструкции (ХГВ ∩ ТОБ) со стороны Б и В соответственно, на фиг. 10, фиг. 11 – состояние смеси (Al +NaOH) в полости СПК до подачи и после подачи воды соответственно, на фиг. 12 – рисунок, поясняющий паровую конструкцию двигателя ГВС, на фиг. 4 – универсальная мобильная электростанция, работающая на газообразном и жидком топливе, как вариант исполнения сборной конструкции ПЭГВ = ДВС∩ГЭТ) для работы на обедненном водородном топливе.

На фиг.1-13 цифрами обозначены:

1 -цифровой блок управления (ЦБУ);

2 - теплообменник;

2.1 – водяная рубашка (теплоноситель);

2.2 – теплообменная выемка (гнездо для сменных картриджей);

2.3 - патрубок ввода холодной вода;

2.4 - патрубок вывода горячей воды;

2.5- соединительный патрубок.

3 - химический генератор водорода (ХГВ);

3.1 - коллектор;

3.2 – соединительное окно для подключения сменного картриджа;

3.3 - съемный пусковой картридж (СПК);

3.4 – съемный рабочий картридж (СРК);

3.5 - патрубок вывода водорода (Н₂);

3.6 – химический реагент (Al);

3.7 – катализатор (NaOH);

3.8 - обратный клапан;

3.9 - быстроразъемная муфта;

3.10 - дозатор воды;

3.11 - гибкий шланг;

4 – ресивер;

4.1 - водяной затвор;

4.2 - водородная полость ресивера;

4.3 - пневматический датчик давления;

5 - преобразователь энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию;

5.1 - двигатель внутреннего сгорания (ДВС);

5.1.1 - вал отбора мощности;

5.1.2 – камера сжигания;

5.1.3 – адиабатический охладитель газов;

5.1.4 – золотник (распределитель потоков газа);

5.1.5 – поршневая группа;

5.1.6 – коленчатый вал (коленвал);

5.1.7 – выхлопная труба;

5.1.8–клапан сброса излишков давления (предельный клапан);

5.1.9–воспламенитель (свеча зажигания);

5.1.10 – пирометр;

5.1.11 – патрубок впрыска топливной смеси;

5.1.12 – патрубок впрыска окислителя (атмосферного кислорода);

5.2 - генератор электрического тока (ГЭТ);

5.2.1 - вал вращения ротора ГЭТ;

5.2.2 - выходные электрические клеммы ГЭТ;

5.2.3 - выпрямитель тока;

6 - регулятор качества водородной смеси (РКВС);

6.1 - смеситель газов (Н2 + НГ);

6.2 – дозатор водорода;

6.3 - дозатор выхлопных газов негорючих (НГ);

6.4 – компрессор;

6.5 – газозаборник НГ;

7 - емкостной накопитель электричества.

Согласно фиг. 2-13 автономный генератор тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта содержит цифровой блок управления (ЦБУ) 1, а также связанные с ним по управлению теплообменник 2 и последовательно установленные химический генератор 3 водорода (ХГВ), ресивер 4, регулятор 6 качества водородной смеси (РКВС) и преобразователь 5 энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию.

Химический генератор 3 водорода (ХГВ) содержит коллектор 3.1 с блоком сменных картриджей (БСК), начинённых химическим веществом 3.6, вступающим в экзотермическую реакцию с водой и выделением тепла и водорода. БСК включает не менее одного съемного пускового картриджа (СПК) 3.3, и не менее одного съемного рабочего картриджа (СРК) 3.4. Химическая начинка СПК 3.3 содержит смесь порошка алюминия (Al) и каустической соды NaOH, а СРК 3.4 - порошок или стружку алюминия. С одной из торцевых сторон картриджей 3.3, 3.4 установлен патрубок 3.5 вывода водорода (Н2) с внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе соединительного окна 3.2 коллектора 3.1, а с другой торцевой стороны картриджей – обратный клапан 3.8 для ввода реакционной воды в их полость.

Для запуска ХГВ 3 при пониженной температуре и для автоматического перевода его на режим устойчивой экзотермической работы СПК 3.3 и СРК 3.4 выполнены с возможностью обмена между собой теплом. Для этого картриджи 3.3, 3.4 установлены в теплообменных выемках 2.2 общей водяной рубашки 2.1 теплообменника 2, а их водяные входы через быстроразъемную муфту 3.9, через дозатор воды 3.10, гибкий шланг 3.11 и соединительный патрубок 2.5 соединены с полостью водяной рубашки 2.1 указанного теплообменника 2. Для поддержания рабочей (330±30°C) температуры горячей воды в рабочих картриджах СРК 3.4 и использования нагретой воды для внешней системы отопления и/или горячего водоснабжения теплообменник 2 снабжен патрубками ввода 2.3 холодной (прямой) и вывода горячей (обратной) 2.4 воды. Водородные выходы картриджей СПК 3.3 и СРК 3.4 через коллектор 3.1 соединены с водяным затвором 4.1 ресивера 4. Ресивер 4 выполнен в виде накопителя водорода в водородной полости 4.2. Для контроля давления водорода в полости 4.2 ресивер 4 снабжен пневматическим датчиком 4.3 давления, соединённым с сигнальным входом ЦБУ 1. Водородный выход ресивера 4 соединен с водородным входом регулятора 6 качества водородной смеси (РКВС). РКВС 6 предназначен для снижения скорости (V_в ≥ 100 см/с) горения водорода до скоростей (40-60 см/с) горения метана и природных газов. Такое снижение скорости горения водорода позволяет отказаться от использования дорогостоящих и сложных по конструкции топливных элементов -преобразователей водорода непосредственно в электричество (ПВНЭ) – в пользу известных типовых мобильных газопоршневых электростанций (ГПЭ), работающих на газе, бензине или дизельном топливе. Пример универсального переносного ГПЭ представлен на фиг. 13. Указанный ГПЭ включает установленные на переносной раме двигатель 5.1 внутреннего сгорания (ДВС) и приводной генератор 5.2 электрического тока (ГЭТ). При этом ГПЭ, в отличие от ПВНЭ, не требует хранения и перевозки на железнодорожном (ж/д) транспорте взрывоопасных объёмов водорода. Для работы ГПЭ на водородном топливе достаточно использования ХГВ 3 с производительностью водорода, не большей скорости его сжигания в ДВС 5.1 транспортного средства. За счет этого резко снижаются текущие объемы производства водорода непосредственно на борту транспортного средства. При этом емкости для реактивов (вода и алюминий) ХГВ 3 существенно меньше по объему емкостей для перевозки сжатого водорода и не требуют давлений в сотни атмосфер.

Для снижения скорости (Vв ≥ 100 см/с) горения водорода ХВГ 3 до скоростей (40-60 см/с) горения метана и природных газов РКВС 6 включает смеситель 6.1 водорода (Н₂) и негорючих газов (НГ), дозатор 6.2 водорода, компрессор 6.4 и воздухозаборник 6.5. Смеситель 6.1 через дозатор 6.2 водорода соединен с водородным выходом ресивера 4, а через дозатор 6.3 негорючих газов (НГ), через компрессор 6.4 и воздухозаборник 6.5 - с выходом выхлопной трубы 5.1.7 преобразователя 5 энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию. Дозаторы 6.2 и 6.3, а также компрессор 6.4 РКВС 6 по сигналам управления соединены с соответствующими выходами ЦБУ 1.

Такое выполнение РКВС 6 позволяет получить на его выходе смесь (Н₂+НГ) пониженной теплотворной способности и, как следствие, с уменьшенной скоростью и температурой горения по сравнению с чистым водородом. Это достигается тем, что выхлопные газы ДВС 5.1, используемые в качестве НГ, содержат негорючий азот, оставшийся после прохождения воздуха (≈80% N +≈ 20% O₂) через ДВС 5.1, а также содержат негорючий конденсат воды – результат реакции окисления водорода кислородом воздуха, а также могут содержать часть негорючей двуокиси (СО₂) углерода, содержащегося в атмосферном воздухе в естественном состоянии.

Выход смесителя РКВС 6 по горючей смеси (Н₂+НГ) пониженной теплотворной способности соединен с газовым входом указанного ДВС 5.1 ПЭГВ 5. ДВС 5.1. может быть выполнен в виде карбюраторного двигателя (фиг. 2, фиг. 13), в виде парового (фиг. 12) или газотурбинного двигателя (на фигурах не показано).

Карбюраторный ДВС 5.1 (фиг. 2) содержит карбюратор (смеситель горючей смеси Н₂+НГ и окислительного воздуха, включающего ≈ 20% O2), соединенный с камерой сгорания поршневой группы, кинематически соединенной через коленчатый вал с валом 5.1.1 отбора мощности для вращения вала ротора 5.2.1 ГЭТ 5.2.

Паровой двигатель 5.1 содержит камеру 5.1.2 сжигания (окисления) водорода в топливной смеси (Н₂+НГ) кислородом атмосферного воздуха, содержащего (≈ 20% O₂ + ≈80% N). Камера 5.1.2 выполнена с раздельным дозированным впрыском топливной смеси (Н2+НГ) и атмосферного воздуха под управлением ЦБУ 1 через входные патрубки 5.1.11 и 5.112 соответственно. Для оптимального дозирования составляющих газов, подаваемых в камеру 5.1.2 сжигания, последняя оснащена пирометром 5.1.10 для температуры факела горения и - устройством поджига (свечой зажигания) 5.1.9 топливной смеси, соединенных по сигнальному выходу и управляющему входу с соответствующим входом и выходом ЦБУ 1. Газовый выход камеры 5.1.2 соединен с входом адиабатического охладителя 5.1.3 газов. Адиабатический охладитель 5.1.3 по охлаждённым газам соединен через золотник 5.1.4 (вращающийся распределитель газа) с верхней и нижней частью поршневой группы 5.1.5 и через клапан 5.1.8 предельного давления с выхлопной трубой 5.1.7 и выхлопными выводами золотников 5.1.4. Поршневая группа 5.1.5 соединена через кинематическое звено, включающее коленвал 5.1.6 и маховик 5.1.7, с валом 5.1.1 отбора мощности для ГЭТ 5.2.

Газотурбинный двигатель (ГТД) 5.1 известен в железнодорожном транспорте под названием «турбовальный» ГТД, включающий камеру сжигания топлива с соплом, в котором на пути движения газов установлена турбина, вал вращения которой кинематически соединен с электрогенератором, в данном случае ГЭТ 5.2, питающим электродвигатели, приводящие локомотив в движение. В общем случае ГЭТ 5.2 может быть выполнен в виде трехфазного генератора тока (ТГТ) требуемой мощности, содержащего статор и ротор, вал 5.2.1 вращения которого кинематически соединен с валом 5.1.1 отбора мощности ДВС 5.1. Статорные обмотки ТГТ соединены с выходными клеммами 5.2.2 непосредственно и через выпрямитель тока 5.2.3 и емкостной накопитель 7 электричества – с электропитающим входом ЦБУ 1.

Согласно (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C#%D0%A2%D0%B8%D0%BF%D1%8B_%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D1%85_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B9) в 1960-е годы в СССР с газотурбинным двигателем и электрогенератором для электропитания привода колесных пар локомотива, аналогичным ГТД 5.1 и ГЭТ 5.2, проходили довольно успешную опытную эксплуатацию три газотурбовоза. Два пассажирских и один грузовой. Однако они не выдержали соревнования с электровозами и в начале 1970-х годов проект был свёрнут. Но в 2007 году по инициативе ОАО «РЖД» был изготовлен опытный образец грузового газотурбовоза, работающий на сжиженном природном газе. Газотурбовоз успешно прошёл испытания, позднее был построен второй газотурбовоз, с той же силовой установкой, но на другой ходовой части, машины эксплуатируются.

В соответствии с настоящим изобретением производство водорода из воды непосредственно на борту поезда на основе химической реакции (1), а также обеспечение возможности снижения калорийности водородной смеси за счет разбавления водорода негорючими выхлопными газами, позволяют перевести существующие газотурбовозы на автономное энергопитание от воды, являющейся концентрированным источником водорода и кислорода для получения тепла, электричества и механической энергии для вращения колесных пар локомотива.

Работа АГТЭ.

Автономный генератор тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта работает следующим образом.

Перед началом работы в соединительные окна 3.2 коллектора 3.1 ХГВ 3 ввёртывают пусковые СПК 3.3 и рабочие СРК 3.4 картриджи, в количестве необходимом для производства тепла и электричества на борту поезда с требуемой удельной (кВт-час) мощностью АГТЭ.

При этом объём химической начинки каждого рабочего СРК 3.4 выбирают из уравнения (1) экзотермической реакции алюминия с водой

Al+2H2O=AlOOH+1,5H2+415,24 кДж/моль (99,178 кКл/моль) (1),

Согласно (1) для получения 1000 литров (1 м³) водорода с плотностью 0,087 г/л требуется загрузка в картридж СРК 3.4 алюминия массой 377 г с последующим дозированным вводом (для заданной скорости производства водорода) в него 1.044 л воды с начальной температурой 330±30°C.

В свою очередь для нагрева указанного объема пусковой воды до 330±30°C и запуска экзотермической реакции (1) в рабочих картриджах СРК 3.4 загрузка пускового картриджа СПК 3.3 согласно реакции (2)

Al+NaOH +H2O=Al2O3+1,5H2+415,24 кДж/моль (99,178 кКл/моль) (2),

должна включать 115 г алюминия и 246 г каустической соды с последующей дозированной подачей в полость картриджа СПК 3.3 воды с массовой долей 522 г (0.522 л) и с начальной (18-47^оС) температурой, необходимой для инициализации реакции (2).

Для таких масс твердых химических реагентов объем внутренней полости каждого из картриджей СПК 3.3 и СРК 3.4 ХГВ 3 не превышает 1 литр для производства водорода в объёме 1 м³ (1000 л) на каждый СРК 3.4.

Из представленных расчетов видно, что для нагрева реакционной воды для СРК 3.4 и включения ХГВ 3 в работу достаточно иметь один СПК 3.3 с указанной выше химической начинкой. Для повышения надежности запуска ХГВ 3 желательно подключать к его коллектору 3.1 резервный СПК 3.3.

При подаче воды в СРК 3.4 с температуры 330±30°C указанная выше заправка 377 г алюминия СРК 3.4 дает при реакции (1) с водой не только 1000 л (1 м³) водорода, используемого далее для производства электричества в ПЭГВ 5, но и выделяет тепло с энергией 12041,96 кДж (3,34 кВт-час). Учитывая, что для отопления любого жилища оптимальной является удельная мощность 100 Вт/м², указанной мощности одного СРК 3.4 достаточно для отопления купе вагонов общей площадью 33,4 м² в течение одного часа.

Каждый 1 м³ (1000 л) водорода, обладающей энергией 10.8 МДж/м3 и вырабатываемый СРК 3.4, в ПЭГВ дает электричество мощностью Р ≈ 3 кВт-час. Такое дополнительное электричество одного СРК 3.4 может обеспечить освещение и работу туалетов пассажирского вагона в течении одного часа.

Конкретное количество рабочих картриджей СРК 3.4 в ХГВ 3 для производства электричества для освещения и электропитания электроприводов колесных пар водородных локомотивов рассчитывается аналогичным образом исходя из требуемой мощности указанного электрооборудования и времени нахождения поезда в пути на заданное расстояние до очередной заправки картриджей СПК 3.3 и СРК 3.4.

После подключения всех картриджей СПК 3.3 и СРК 3.4 коллектору 3.1 собранный блок вставляют в соответствующие сквозные 2.2 выемки теплообменника 2 и жестко фиксируют в указанном теплообменнике (на фигурах не показано). Далее к патрубкам 2.3 н 2.4 прямой и обратной воды теплообменника 2 подключают систему отопления и горячего водоснабжения вагона (на фигурах не показано), а его патрубок 2.4 - 3.11 соединяют гибкими шлангами 3.11 через дозаторы 3.10 воды, быстроразъемные муфты 3.9 и обратные клапаны 3.8 с полостями соответствующих СПК 3.3 и СРК 3.4.

После подключения блока сменных катриджей ХГВ 3 к теплообменнику 2 оператор подает электропитание ЦБУ 1. ЦБУ 1 по заданной программе управления АГТЭ включает дозатор 3.10 воды на входе СПК 3.3. При этом в полость СПК 3.3 из водяной рубашки 2.1 теплообменника 2 поступает вода с температурой выше 18^оС по пути «патрубок 2.5 → гибкий шланг 3.11 → дозатор воды 3.10 → быстроразъемная муфта 3.9 → обратный клапан 3.8 → полость СПК 3.3». Входная вода в полости СПК 3.3 вступает в экзотермическую реакцию (2) с выделением тепла и водорода. Водород из СПК 3.3 через коллектор 3.1 и через водяной затвор 4.1 поступает в водородную полость 4.2 ресивера 4. Тепло СПК 3.3 через боковые поверхности картриджа, установленного в теплообменных выемках 2.2, нагревает воду в рубашке 2.1 теплообменника 2. Нагретая вода омывает других выемках 2.2 боковые поверхности рабочих картриджей СРК 3.4. При достижении температуры воды в рубашке теплообменника 300°C датчик температуры теплообменника 2 (на фигурах не показано) выдает соответствующий сигнал на ЦБУ 1. При получении сигнала о температуре воды, достаточной для включения экзотермической реакции (1) в рабочих картриджах СРК 3.4, ЦБУ 1 открывает дозатор 3.10 горячей воды одного из рабочих картриджей СРК 3.4. При этом горячая вода (Н₂О) вступает в экзотермическую реакцию (1) с алюминием (AL). Тепло, выделяемое в результате реакции (1) в СРК 3.4 производит дополнительный нагрев воды в теплообменнике 2. При достижении температуры 360°C ЦБУ 1 открывает клапаны на патрубках 2.2 и 2.3 теплообменника для внешней системы отопления и горячего водоснабжения (ОГВ) и далее автоматически поддерживает температуру в теплообменнике в диапазоне 300-360°C управляя скоростью рециркуляции жидкого теплоносителя между теплообменником 2 ХГВ и системой ОГВ вагона.

Одновременно водород из СРК 3.4 через коллектор 3.1 и через водяной затвор 4.1 поступает в водородную полость 4.2 ресивера 4. Пневматический датчик 4.3 давления измеряет текущее значение давления водорода в ресивере 4 и передает его на ЦБУ 1. ЦБУ 1 измеряет скорость нарастания давления водорода в ресивере 4 и рассчитывает дозу воды, достаточную для поддержания требуемого объема водорода и скорости его расхода для производства электричества. При достижении давления водорода в ресивере 4 нижнего предела Р = 1,5 бар (≈1.5 атм) ЦБУ 1 прикрывает дозатор 3.10 воды, снижая скорость производства водорода, и при достижении предельного значения (Р = 2 бар) закрывает дозатор 3.10. По мере расхода водорода в ПЭГВ 5 на электричество и снижении давления в ресивере 4 до минимального значения 1,5 бар ЦБУ 1 открывает дозатор 3.10 воды и процесс выработки водорода СРК 3.4 возобновляется. При недостаточной скорости нарастания давления водорода в ресивере 4, вызванного выработкой алюминия в работающем СРК 3.4, ЦБУ 1 открывает дозатор 3.10 подачи воды в очередной рабочий картридж СРК 3.4. Далее процесс поддержания давления водорода в ресивере 4 в заданных пределах (1.5-2 бар) с параллельно подключенным очередным СРК 3.4 повторяется.

Водород с выхода ресивера 4 поступает на вход регулятора качества водородной смеси (РКВС) 6. Поступивший водород через дозатор 6.2 водорода подается на первый вход смесителя 6.1 газов. На второй вход смесителя 6.1 через компрессор 6.4 и газозаборник 6.5 выхлопных негорючих газов (НГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС 5.1). Выхлопные НГ ДВС 5.1 включают негорючие составляющие стандартного атмосферного воздуха (≈80% азота и ≈ 3% двуокиси углерода), а также пары воды, как результат окисления в ДВС 5.1 водорода атмосферным кислородом (≈20%), содержащемся в атмосферном воздухе в диапазоне высот от 0 до 300 метров над уровнем Земли. Для создания скорости горения в допустимых (40-60 см/с) первоначальное соотношение составляющих (55 % водорода и 45 % НГ) водородной топливной смеси определяется начальными установками дозатора 6.2 водорода и дозатора 6.3 негорючих газов. В дальнейшем это соотношение управляется ЦБУ 1 за счет обратной связи с ДВС 1 по качеству и устойчивости вращения его приводного вала или с ГЭТ 5.2 по стабильности его выходного напряжения. Сформированная в РКВС 6 обедненная топливная смесь (Н2 +НГ) со скоростью горения, близкой к скорости горения метана подается непосредственно в камеру 5.1.2 сжигания парового ДВС 5.1 (фиг.12) или газотурбинного двигателя (ГЗТ) 5.1 или через карбюратор в камеру 5.1.2 сжигания (фиг. 2) поршневого ДВС 5.1. В карбюраторе поршневого ДВС 1 топливная смесь (Н₂ +НГ) смешивается с атмосферным воздухом в оптимальном соотношении для типового ДВС 1. В паровом ДВС 5.1 (фиг. 12) внутреннего сгорания (ПДВС) топливная смесь (Н2 +НГ) впрыскивается в камеру сжигания 5.1.2 через патрубок 5.1.1, а воздух – через патрубок 5.1.12. ЦБУ 1 с помощью свечи 5.1.9 производит поджиг топливной смеси (Н2 +НГ) с кислородом воздуха. Одновременно ЦБУ 1 пирометром 5.1.10 измеряет яркость факела и температуру горения топлива в камере 5.1.2 сжигания. По результатам измерений устанавливает с помощью дозатора 6.2 водорода и дозатора 6.3 соотношение водорода и выхлопных газов негорючих газов (НГ) в топливной смеси до устойчивого её горения в камере 5.1.2 сжигания 1. Пары воды и негорючие составляющие исходящих газов камеры 5.1.2 поступают в адиабатический охладитель 5.1.3. Далее охлажденные газы повышенного давления через вращающиеся золотники 5.1.4 подаются поочерёдно в верхнюю и нижнюю часть поршневой группы 5.1.5 приводя во вращение коленчатый вал 5.1.6 с маховиком 5.1.13. Вращение маховика 5.1.13 передается на приводной вал 5.1.2 и далее через кинематическое звено на вал вращения магнитного ротора 5.2.1 генератора электрического тока (ГЭТ) 5.2. При вращении магнитного ротора в статорных обмотках вырабатывается трехфазное переменное напряжение. Указанное напряжение подается непосредственно на выходные электрические клеммы 5.2.2 и через выпрямитель 5.2.3 на емкостной накопитель электричества 7 для электропитания ЦБУ 1.

Промышленная применимость

Изобретение разработано на уровне технического предложения.

Изобретение относится к области водородной энергетики, конкретно к автономным генераторам тепла и электричества для железнодорожного транспорта. Согласно изобретению автономный генератор тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта содержит цифровой блок управления (ЦБУ), устройство отбора тепла (УОТ), а также последовательно установленные химический генератор водорода (ХГВ), ресивер и преобразователь энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию. При этом управляющие входы УОТ, ХГВ, ПЭГВ соединены с соответствующими управляющими выходами ЦБУ 1. Также изобретение дополнительно содержит регулятор качества водородной смеси (РКВС), установленный между ресивером и ПЭГВ, включающим последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и приводной генератор электрического тока (ГЭТ), ХГВ содержит коллектор с блоком сменных картриджей (БСК), начинённых химическим веществом, вступающим в экзотермическую реакцию с водой с выделением тепла и водорода. Кроме того, БСК включает не менее одного съемного пускового картриджа (СПК) и не менее одного съемного рабочего картриджа (СРК). Каждый СПК и СРК выполнен с возможностью установки в теплообменных выемках водяной рубашки теплообменника и соединения по водородному выходу через коллектор с водяным затвором ресивера, водородная полость которого через пневматический датчик давления соединена с сигнальным входом ЦБУ и непосредственно – с водородным входом РКВС, содержащего смеситель, первый вход которого через дозатор водорода соединен с водородным выходом ресивера, второй вход смесителя через дозатор негорючих газов (НГ), компрессор и воздухозаборник - с выходом выхлопной трубы ДВС, а выход смесителя – с газовым входом ДВС, вал отбора мощности которого кинематически соединен с валом вращения ротора ГЭТ, статорные обмотки которого соединены с выходными клеммами непосредственно и через выпрямитель тока и емкостной накопитель электричества с электропитающим входом ЦБУ. Причем химическая начинка СПК содержит смесь порошка алюминия (Al) и каустической соды NaOH, а СРК - порошок или стружку алюминия, с одной из торцевых сторон картриджей установлен патрубок вывода водорода (Н2) с внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе соединительного окна коллектора, а с другой торцевой стороны картриджей – обратный клапан, соединенный по водяному входу через быстроразъемную муфту, через дозатор воды, гибкий шланг и соединительный патрубок с полостью водяной рубашки теплообменника, снабженного патрубками ввода холодной и вывода горячей воды для внешней системы отопления и/или горячего водоснабжения. 2 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Автономный генератор тепла и электричества (АГТЭ) для железнодорожного транспорта, содержащий цифровой блок управления (ЦБУ), а также связанные с ним по управлению теплообменник и последовательно установленные химический генератор водорода (ХГВ), ресивер и преобразователь энергии горения водорода (ПЭГВ) в электрическую энергию, отличающийся тем, что он дополнительно содержит регулятор качества водородной смеси (РКВС), установленный между ресивером и ПЭГВ, включающим последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и приводной генератор электрического тока (ГЭТ), ХГВ содержит коллектор с блоком сменных картриджей (БСК), начинённых химическим веществом, вступающим в экзотермическую реакцию с водой и выделением тепла и водорода, БСК включает не менее одного съемного пускового картриджа (СПК) и не менее одного съемного рабочего картриджа (СРК), каждый СПК и СРК выполнен с возможностью установки в теплообменных выемках водяной рубашки теплообменника и соединения по водородному выходу через коллектор с водяным затвором ресивера, водородная полость которого через пневматический датчик давления соединена с сигнальным входом ЦБУ и непосредственно с водородным входом РКВС, содержащего смеситель, первый вход которого через дозатор водорода соединен с водородным выходом ресивера, второй вход смесителя через дозатор негорючих газов (НГ), компрессор и воздухозаборник - с выходом выхлопной трубы ДВС, а выход смесителя – с газовым входом ДВС, вал отбора мощности которого кинематически соединен с валом вращения ротора ГЭТ, статорные обмотки которого соединены с выходными клеммами непосредственно и через выпрямитель тока и емкостной накопитель электричества – с электропитающим входом ЦБУ, причем химическая начинка СПК содержит смесь порошка алюминия (Al) и каустической соды NaOH, а СРК - порошок или стружку алюминия, с одной из торцевых сторон картриджей установлен патрубок вывода водорода (Н₂) с внешней резьбой, соответствующей внутренней резьбе соединительного окна коллектора, а с другой торцевой стороны картриджей – обратный клапан, соединенный по водяному входу через быстроразъемную муфту, через дозатор воды, гибкий шланг и соединительный патрубок с полостью водяной рубашки теплообменника, снабженного патрубками ввода холодной и вывода горячей воды для внешней системы отопления и/или горячего водоснабжения.

2. Автономный генератор по п. 1, отличающийся тем, что ДВС выполнен в виде карбюраторного, парового или газотурбинного двигателя.

3. Автономный генератор по п. 2, отличающийся тем, что паровой двигатель содержит последовательно установленные камеру сжигания топливной смеси, адиабатический охладитель газов, соединенный по охлаждённым газам через золотник – вращающийся распределитель газа – с верхней и нижней частью поршневой группы коленчатого вала, маховик которого кинематически соединен с валом отбора мощности для ГЭТ.