СИСТЕМА УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА И ТЕПЛОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2023 года по МПК F24V30/00 F28D20/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к системе утилизации тепла и теплогенерирующему устройству.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В последние годы появились сообщения о явлении теплогенерации, в ходе которого тепло выделяется в результате поглощения и высвобождения водорода с использованием водород-аккумулирующего металла и подобного. (см., например, Непатентный документ 1). Водород может быть получен из воды и, таким образом, является неисчерпаемым и недорогим ресурсом, не приводит к образованию парникового газа, так как диоксид углерода, и может рассматриваться как источник чистой энергии. В отличие от реакции деления ядер, явление теплогенерации с использованием водород-аккумулирующего металла и т.п. безопасно, поскольку цепная реакция отсутствует. Тепло, выделяющееся при поглощении и высвобождении водорода, может быть использовано как таковое, а также может быть использовано посредством превращения в электроэнергию. Следовательно, ожидается, что это эффективный источник тепловой энергии.

Список цитируемой литературы

Непатентная литература

[0003] Непатентный документ 1: A. Kitamura. et. al “Brief summary of latest experimental results with a mass-flow calorimetry system for anomalous heat effect of nano-composite metals under D(H)-gas charging” CURRENT SCIENCE, VOL. 108, NO. 4, стр. 589-593, 2015

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая задача

[0004] Однако, тепло все еще получают, главным образом, в тепловых или ядерных установках. Следовательно, с точки зрения экологических и энергетических проблем имеется потребность в новой системе утилизации тепла и теплогенерирующем устройстве, предусматривающих использование недорогого, чистого и безопасного источника тепловой энергии, и которые не были бы описаны в известном уровне техники.

[0005] Следовательно, целью изобретения является обеспечение новой системы утилизации тепла и теплогенерирующего устройства, предусматривающих использование недорогого, чистого и безопасного источника тепловой энергии.

Решение поставленной задачи

[0006] Соответствующая изобретению система утилизации тепла включает: герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода; теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере, которая включает теплогенерирующий элемент, предназначенный для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода; и устройство утилизации тепла, которое в качестве источника тепла использует теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующего элемента. Теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу. Многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

[0007] Соответствующее изобретению теплогенерирующее устройство включает: герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода; и теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере, которая включает множество расположенных радиально теплогенерирующих элементов, предназначенных для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода. Теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу. Многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

[0008] Другая соответствующая изобретению система утилизации тепла включает: герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода; теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере, которая включает теплогенерирующий элемент, предназначенный для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода; камеру сгорания, предназначенную для сжигания топлива и воздуха горения для генерирования тепла; и устройство утилизации тепла, предназначенное для подогрева воздуха горения с использованием тепла теплогенерирующего элемента. Теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу. Многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

Эффект изобретения

[0009] В соответствии с изобретением, благодаря использованию в качестве источника тепловой энергии теплогенерирующего элемента, который генерирует тепло путем поглощения и высвобождения водорода, обеспечивается недорогая, чистая и безопасная энергия.

Краткое описание чертежей

[0010]

Фиг. 1 представляет собой схему системы утилизации тепла, соответствующую первому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 2 представляет собой вид в перспективе, на котором показана структура теплогенерирующего модуля.

Фиг. 3 представляет собой вид в поперечном сечении, на котором показана структура теплогенерирующего модуля.

Фиг. 4 представляет собой вид в поперечном сечении, на котором показана структура теплогенерирующего элемента с первым слоем и вторым слоем.

На фиг. 5 представлена пояснительная схема образования избыточного тепла.

Фиг. 6 представляет собой вид в поперечном сечении теплогенерирующего элемента с первым слоем, вторым слоем и третьим слоем.

Фиг. 7 представляет собой вид в поперечном сечении теплогенерирующего элемента с первым слоем, вторым слоем, третьим слоем и четвертым слоем.

На фиг. 8 представлен график, демонстрирующий зависимость между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом.

На фиг. 9 представлен график, демонстрирующий зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом.

На фиг. 10 представлен график, демонстрирующий зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом.

На фиг. 11 представлена пояснительная схема одного из примеров компоновки теплогенерирующего элемента.

На фиг. 12 представлена схема цилиндрического теплогенерирующего элемента.

На фиг. 13 представлена схема спирального, неплотно смотанного теплогенерирующего элемента.

На фиг. 14 представлена пояснительная схема одного из примеров устройства утилизации тепла.

На фиг. 15 представлена схема конфигурации тепловой электростанции, включающей систему утилизации тепла, соответствующую второму варианту осуществления изобретения.

Фиг. 16 представляет собой вид в перспективе, схематично отображающий конфигурацию теплогенерирующего устройства и устройства утилизации тепла.

На фиг. 17 представлена пояснительная схема теплогенерирующего устройства, в котором предусмотрено многократное осуществление подачи и выпуска газа на основе водорода.

На фиг. 18 представлена пояснительная схема системы утилизации тепла, в которой предусматривается циркуляция воздуха горения.

На фиг. 19 представлена схема конфигурации системы утилизации тепла, соответствующей третьему варианту осуществления изобретения.

На фиг. 20 представлена пояснительная схема конфигурации устройства отделения и сбора диоксида углерода.

На фиг. 21 представлена схема конфигурации системы утилизации тепла, соответствующей четвертому варианту осуществления изобретения.

Фиг. 22 представляет собой вид в перспективе герметичного контейнера, снабженного ребром.

Фиг. 23 представляет собой вид в радиальном поперечном сечении корпуса герметичного контейнера с ребром.

Фиг. 24 представляет собой вид в поперечном сечении, перпендикулярном радиальному, корпуса герметичного контейнера с ребром.

Фиг. 25 представляет собой вид в поперечном сечении герметичного контейнера, снабженного теплопередающей опорной частью.

Фиг. 26 представляет собой вид в радиальном поперечном сечении корпуса герметичного контейнера с теплопередающей опорной частью.

Фиг. 27 представляет собой вид в поперечном сечении, перпендикулярном направлению толщины, пластинчатого теплогенерирующего элемента.

Фиг. 28 представляет собой вид в поперечном сечении в направлении толщины пластинчатого теплогенерирующего элемента.

На фиг. 29 представлена пояснительная схема, демонстрирующая состояние, в котором пластинчатый теплогенерирующий элемент находится во вмещающем контейнере.

Фиг. 30 представляет собой вид сверху герметичного контейнера с ребром, образованным множеством гребней.

Фиг. 31 представляет собой вид сбоку герметичного контейнера с ребром, образованным множеством гребней.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0011] 1. Первый вариант осуществления изобретения

Как показано на фиг. 1 система 10 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 11 и устройство 12 утилизации тепла. В системе 10 утилизации тепла происходит нагревание теплоносителя, описываемого далее, теплом, генерируемым теплогенерирующим устройством 11, и устройство 12 утилизации тепла эксплуатируется с использованием нагретого теплоносителя в качестве источника тепла.

[0012] Теплогенерирующее устройство 11 включает герметичный контейнер 15, узел 16 выпуска газа, узел 17 подача газа, теплогенерирующий модуль 18 и блок 19 управления.

[0013] Герметичный контейнер 15 представляет собой полый контейнер, в котором находится теплогенерирующий модуль 18. Герметичный контейнер 15 изготовлен из нержавеющей стали или подобного. Герметичный контейнер 15 снабжен выпуском 15а, соединенным с выпускной трубой 16b, описываемой далее, и впуском 15b, соединенным с подающей трубой 17b, описываемой далее. Герметичный контейнер 15 включает, например, трубчатый корпус (не показан), верхнюю крышку (не показана), расположенную на верхнем конце корпуса контейнера, и нижнюю крышку (не показана), расположенную на нижнем конце корпуса контейнера. В данном примере выпуск 15а выполнен в верхней крышке, впуск 15b выполнен в нижней крышке. Внутренние поверхности корпуса контейнера, верхняя крышка и нижняя крышка образуют внутреннее пространство герметичного контейнера 15. Газ на основе водорода, описываемый далее, подают в герметичный контейнер 15 по подающей трубе 17b через впуск 15b.

[0014] Узел 16 выпуска газа обеспечивает вакуумирование внутреннего пространства герметичного контейнера 15. Узел 16 выпуска газа включает вакуумный насос 16а, выпускную трубу 16b и выпускной клапан 16с. Вакуумный насос 16b образован, например, из турбомолекулярного насоса и безмасляного насоса. Выпускная труба 16b соединяет вакуумный насос 16а и герметичный контейнер 15. Выпускная труба 16b обеспечивает циркуляцию газа изнутри герметичного контейнера 15 к вакуумному насосу 16а. Выпускной клапан 16с установлен на выпускной трубе 16b. Выпускной клапан 16с обеспечивает регулирование расхода газа, циркулирующего по выпускной трубе 16b. Вакуумный насос 16а и выпускной клапан 16с электрически соединены с блоком 19 управления. Скоростью выпуска узла 16 выпуска газа можно управлять, например, путем регулирования скорости вращения турбомолекулярного насоса.

[0015] Узел 17 подачи газа обеспечивает подачу газа на основе водорода в герметичный контейнер 15. Узел 17 подачи газа включает газовый баллон 17а, подающую трубу 17b и подающий клапан 17с. Газовый баллон 17а - это контейнер, в котором под высоким давлением хранится газ на основе водорода. Подающая труба 17b соединяет газовый баллон 17а и герметичный контейнер 15. Подающая труба 17b обеспечивает циркуляцию газа на основе водорода, хранящегося в газовом баллоне 17а, в герметичный контейнер 15. Подающий клапан 17с установлен на подающей трубе 17b. Подающий клапан 17с обеспечивает регулирование расхода газа на основе водорода, циркулирующего по подающей трубе 17b. Подающий клапан 17с электрически соединен с блоком 19 управления. Газ на основе водорода представляет собой газ, содержащий изотопы водорода. В качестве газа на основе водорода используют, по меньшей мере, один из следующих газов: дейтерий и протий. Газообразный протий включает смесь встречающихся в природе протия и дейтерия, то есть, смесь, в которой относительное содержание протия составляет 99,985%, а относительное содержание дейтерия составляет 0,015%. Далее в настоящем описании, если протий и дейтерий не отличают друг от друга, оба изотопа называют «водород».

[0016] Теплогенерирующий модуль 18 размещен в герметичном контейнере 15. Теплогенерирующий модуль 18 включает теплогенерирующую структуру 20, содержащую водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав, и нагреватель 21, который нагревает теплогенерирующую структуру 20. Теплогенерирующая структура 20 поглощает водород, содержащийся в газе на основе водорода, и нагревается нагревателем 21, в результате чего генерируется тепло, большее или равное температуре нагревания нагревателя 21 (далее именуемое «избыточное тепло»). В теплогенерирующем модуле 18 температура теплоносителя, описываемого далее, за счет избыточного тепла достигает величины, лежащей в диапазоне, например, от 50°С или выше до 1500°С или ниже. В данном примере в теплогенерирующем модуле 18 теплоноситель нагревается до 1500°С. Теплогенерирующий модуль 18 может включать одну или несколько теплогенерирующий структур 20 и один или несколько нагревателей 21. Теплогенерирующий модуль 18 включает, по меньшей мере, одну теплогенерирующую структуру 20 и, по меньшей мере, один нагреватель 21, и число теплогенерирующих структур 20 и число нагревателей 21 может быть изменено надлежащим образом. В данном варианте осуществления изобретения теплогенерирующий модуль 18 включает три теплогенерирующих структуры 20 и один нагреватель 21. Подробно конструкция теплогенерирующего модуля 18 будет описана далее со ссылкой на другие чертежи.

[0017] Множество теплогенерирующих структур 20 размещено в направлении, в котором внутри герметичного контейнера 15 протекает газ на основе водорода. «Направление, в котором протекает газ на основе водорода» внутри герметичного контейнера 15, представляет собой направление перемещения основного потока газа на основе водорода, например, направление от впуска 15b герметичного контейнера 15 к выпуску 15а, то есть, направление от нижней к верхней стороне герметичного контейнера 15. Теплогенерирующие структуры 20 размещены на некотором расстоянии друг от друга.

[0018] Теплогенерирующая структура 20 снабжена датчиком 22 температуры (см. фиг. 1 и 3). Датчик 22 температуры имеется в каждой из теплогенерирующих структур 20. Датчик 22 температуры определяет температуру соответствующей теплогенерирующей структуры 20. Из имеющихся трех теплогенерирующих структур 20, теплогенерирующая структура 20 нижней ступени вступает в контакт с теплоносителем, подаваемым через впуск 15b, и, следовательно, имеет наименьшую температуру. Поскольку теплогенерирующая структура 20 средней ступени вступает в контакт с теплоносителем, нагретым при прохождении через теплогенерирующую структуру 20 нижней ступени, температура теплогенерирующей структуры 20 средней ступени выше, чем температура теплогенерирующей структуры 20 нижней ступени. Поскольку теплогенерирующая структура 20 верхней ступени вступает в контакт с теплоносителем, нагретым при прохождении через теплогенерирующую структуру 20 средней ступени, температура теплогенерирующей структуры 20 верхней ступени выше, чем температура теплогенерирующей структуры 20 средней ступени. То есть, теплогенерирующая структура 20 характеризуется низкой температурой, средней температурой и высокой температурой в порядке от нижней ступени к средней ступени и верхней ступени. В качестве датчика 22 температуры используют, например, термопару. Датчик 22 температуры электрически соединен с блоком 19 управления и подает на блок 19 управления сигнал, соответствующий измеренной температуре.

[0019] Нагреватель 21 представляет собой электропечь трубчатой формы. В данном примере нагреватель 21 имеет цилиндрическую форму. Каждая теплогенерирующая структура 20 расположена в пространстве, образованном внутренней поверхностью нагревателя 21. Нагреватель 21 соединен с источником 23 энергии и приводится в действие электроэнергией, поступающей от источника 23 питания. Источник 23 питания электрически соединен с блоком 19 управления. Температура нагревания нагревателем 21 составляет, например, предпочтительно, 300°С или выше, более предпочтительно, 500°С или выше, еще более предпочтительно, 600°С или выше.

[0020] Нагреватель 21 снабжен датчиком 24 температуры. Датчик 24 температуры определяет температуру нагревателя 21. В качестве датчика 24 температуры используют, например, термопару. Датчик 24 температуры электрические соединен с блоком 19 управления и подает на блок 19 управления сигнал, соответствующий измеренной температуре.

[0021] Блок 19 управления обеспечивает управление каждым узлом системы 10 утилизации тепла. Блок управления 19 включает, главным образом, например, арифметическое устройство (центральный процессор) и запоминающее устройство, такое как постоянное запоминающее устройство и оперативное запоминающее устройство. Арифметическое устройство выполняет различные арифметические операции с использованием программы, данных и т.п., хранящихся в запоминающем устройстве.

[0022] Блок 19 управления электрически соединен с вакуумным насосом 16а, выпускным клапаном 16с, подающим клапаном 17с, источником 23 питания, датчиком 24 температуры и датчиком 22 температуры. Например, блок 19 управления обеспечивает управление выходом избыточного тепла путем регулирования электроэнергии, поступающей на нагреватель 21, количества подаваемого газа на основе водорода, давления в герметичном контейнере 15 и подобного на основе величины температуры теплогенерирующей структуры 20, определенной датчиком 22 температуры.

[0023] Теплогенерирующее устройство 11 подает газа на основе водорода в герметичный контейнер 15, чтобы вызвать поглощение теплогенерирующей структурой 20 водорода, содержащегося в газе на основе водорода. В теплогенерирующем устройстве 11 обеспечивается отведение водорода, поглощенного теплогенерирующей структурой 20, путем вакуумирования внутреннего пространства герметичного контейнера 15 и нагревания теплогенерирующей структуры 20. Таким образом, в теплогенерирующем устройстве 11 в результате поглощения и высвобождения водорода теплогенерирующей структурой 20 образуется избыточное тепло. То есть, способ генерирования тепла с использованием теплогенерирующего устройства 11 включает стадию поглощения водорода, заключающуюся в поглощении водорода, содержащегося в газе на основе водорода, теплогенерирующей структурой 20 в результате подачи газа на основе водорода внутрь герметичного контейнера 15, и стадию высвобождения водорода, заключающуюся в высвобождении водорода, поглощенного теплогенерирующей структурой 20, в результате вакуумирования внутреннего пространства герметичного контейнера 15 и нагревания теплогенерирующей структуры 20. На практике стадию поглощения водорода и стадию высвобождения водорода осуществляют многократно. На стадии поглощения водорода вода и подобное, осевшая на теплогенерирующей структуре 20, может быть удалена путем нагревания теплогенерирующей структуры 20 перед подачей газа на основе водорода в герметичный контейнер 15. На стадии высвобождения водорода, например, после прекращения подачи газа на основе водорода в герметичный контейнер 15, осуществляют вакуумирование и нагревание.

[0024] В устройстве 12 утилизации тепла в качестве источника тепла используется теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующей структуры 20. Теплоносителем может являться газ или жидкость, предпочтительно, теплоноситель характеризуется высокой теплопроводностью и химической устойчивостью. В качестве примера газа можно назвать газообразный гелий, газообразный аргон, газообразный водород, газообразный азот, водяной пар, воздух и диоксид углерода. Примерами жидкости являются вода, расплавленная соль (такая как KNO₃(40%)-NaNO₃(60%)) и жидкий металл (такой как Рb). В качестве альтернативы, теплоноситель может включать смешанную фазу, в которой твердые частицы диспергированы в газе или жидкости. Примерами твердых частиц являются металл, соединение металла, сплав и керамика. Примерами металла являются медь, никель, титан и кобальт. Примерами соединения металла являются оксид, нитрид и силицид указанных выше металлов. Примерами сплавов являются нержавеющая сталь и хромомолибденовая сталь. Примерами керамики является оксид алюминия. В данном примере в качестве теплоносителя используется газообразный гелий.

[0025] Устройство 12 утилизации тепла включает вмещающий контейнер 31, узел 32 циркуляции теплоносителя, газовую турбину 33, парогенератор 34, паровую турбину 35, двигатель Стерлинга 36 и термоэлектрический преобразователь 37. Хотя показанное на фиг. 1 устройство 12 утилизации тепла включает газовую турбину 33, парогенератор 34, паровую турбину 35, двигатель Стерлинга 36 и термоэлектрический преобразователь 37, устройство 12 утилизации тепла может включать любое сочетание этих компонентов.

[0026] Вмещающий контейнер 31 представляет собой полый контейнер, в котором размещен герметичный контейнер 15 теплогенерирующего устройства 11. Вмещающий контейнер 31 изготовлен из керамики, нержавеющей стали или подобного. Материал, из которого изготовлен вмещающий контейнер 31, предпочтительно, характеризуется высокой теплоизолирующей способностью. Вмещающий контейнер 31 снабжен выпускным отверстием 31а, через которое вытекает теплоноситель, и впускным отверстием 31b, через которое теплоноситель поступает в контейнер. Теплоноситель, поступающий через впускное отверстие 31b, проходит через зазор, образованный внутренней поверхностью вмещающего контейнера 31 и наружной поверхностью герметичного контейнера 15, и вытекает через выпускное отверстие 31а.

[0027] Узел 32 циркуляции теплоносителя обеспечивает циркуляцию теплоносителя между пространством внутри и снаружи вмещающего контейнера 31. В данном варианте осуществления изобретения узел 32 циркуляции теплоносителя включает первую трубу 32а, которая соединяет вмещающий контейнер 31 и газовую турбину 33, вторую трубу 32b, которая соединяет газовую турбину 33 и парогенератор 34, третью трубу 32с, которая соединяет парогенератор 34 и двигатель Стерлинга 36, четвертую трубу 32d, которая соединяет двигатель Стерлинга 36 и вмещающий контейнер 31, насос 32е, который обеспечивает поток теплоносителя из вмещающего контейнера 31 в первую трубу 32а, и блок 32f управления расходом теплоносителя, который обеспечивает регулирование расхода теплоносителя, поступающего из вмещающего контейнера 31 в первую трубу 32а. В данном примере насос 32е и блок 32f управления расходом теплоносителя установлены на первой трубе 32а. Примером насоса 32е является металлический сильфонный насос. Блок 32f управления расходом теплоносителя в качестве регулирующего клапана включает регулируемый напускной клапан.

[0028] Из вмещающего контейнера 31 теплоноситель последовательно протекает по первой трубе 32а, второй трубе 32b, третьей трубе 32с и четвертой трубе 32d, возвращаясь во вмещающий контейнер 31. То есть, узел 32 циркуляции теплоносителя выполняет функцию линии циркуляции теплоносителя, по которой теплоноситель циркулирует между пространством внутри и снаружи вмещающего контейнера 31. Теплоноситель, нагретый теплогенерирующим устройством 11 внутри вмещающего контейнера 31, посредством узла 32 циркуляции теплоносителя, служащего линией циркуляции теплоносителя, последовательно охлаждается в газовой турбине 33, парогенераторе 34, двигателе Стерлинга 36 и термоэлектрическом преобразователе 37. Охлажденный теплоноситель поступает во вмещающий контейнер 31 и снова нагревается теплогенерирующим устройством 11.

[0029] Газовая турбина 33 приводится в действие теплоносителем, вытекающим из вмещающего контейнера 31. Температура теплоносителя, поступающего в газовую турбину 33, предпочтительно, лежит в диапазоне от, например, 60°С или выше до 1500°С или ниже. Газовая турбина 33 включает компрессор 33а и турбину 33b. Компрессор 33а и турбина 33b соединены друг с другом валом вращения (не показан). В компрессоре 33а теплоноситель, представляющий собой газообразный гелий, нагретый теплогенерирующей структурой 20, сжимают с получением высокотемпературного теплоносителя высокого давления. Турбина 33b вращается вокруг вала вращения под действием теплоносителя, прошедшего через компрессор 33а.

[0030] Газовая турбина 33 соединена с электрогенератором 38. Электрогенератор 38 соединен с валом вращения газовой турбины 33 и вследствие вращения турбины 33b вырабатывает электроэнергию.

[0031] В парогенераторе 34 тепло теплоносителя, поступающего из газовой турбины 33, вызывает образование пара. Парогенератор 34 включает внутреннюю трубу 34а и теплообменник 34b. Внутренняя труба 34а соединяет вторую трубу 32b и третью трубу 32с и обеспечивает циркуляцию теплоносителя. Теплообменник 34b выполнен как труба, по которой циркулирует котловая вода, и обеспечивает теплообмен между котловой водой, циркулирующей по трубе, и теплоносителем, протекающим по внутренней трубе 34а. В результате теплообмена парогенератор 34 вырабатывает пар из котловой воды.

[0032] Парогенератор 34 соединен с паровой турбиной 35 трубой 34с подачи пара и трубой 34d подачи воды. Труба 34с подачи пара обеспечивает подачу пара, образовавшегося в теплообменнике 34b, в паровую турбину 35. Труба 34d подачи воды включает конденсатор (не показан) и насос подачи воды (не показан). Пар, выходящий из паровой турбины 35, охлаждают в конденсаторе и рециркулируют в котловую воду, котловую воду направляют в теплообменник 34b при помощи насоса подачи воды.

[0033] Паровая турбина 35 приводится в действие паром, образовавшимся в парогенераторе 34. Температура пара, подаваемого в паровую турбину 35, предпочтительно, лежит в диапазоне, например, от 300°С или выше до 700°С или ниже. Паровая турбина 35 имеет вал вращения (не показан) и вращается вокруг вала вращения.

[0034] Паровая турбина 35 соединена с электрогенератором 39. Электрогенератор 39 соединен с валом вращения паровой турбины 35 и вырабатывает электроэнергию вследствие вращения паровой турбины 35.

[0035] Двигатель Стерлинга 36 приводится в действие теплоносителем, поступающим из парогенератора 34. Температура теплоносителя, подаваемого в двигатель Стерлинга 36, предпочтительно, лежит в диапазоне, например, от 300°С или выше до 1000°С или ниже. В данном примере двигатель Стерлинга 36 представляет собой двигатель Стерлинга вытесняющего типа. Двигатель Стерлинга 36 включает цилиндрическую часть 36а, вытесняющий поршень 36b, силовой поршень 36с, траекторию циркуляции 36d и коленчатый элемент 36е.

[0036] Цилиндрическая часть 36а выполнена в форме цилиндра с одним открытым и одним закрытым концом. Вытесняющий поршень 36b находится внутри цилиндрической части 36а. Силовой поршень 36с находится внутри цилиндрической части 36а на другом конце относительно вытесняющего поршня 36b. Вытесняющий поршень 36b и силовой поршень 36с могут совершать возвратно-поступательные движения в осевом направлении цилиндрической части 36а.

[0037] В цилиндрической части 36а имеется полость 42 расширения и полость сжатия 43, разделенные вытесняющим поршнем 36b. Полость 42 расширения находится на одном конце цилиндрической части 36а относительно полости 43 сжатия. В полости 42 расширения и полости 43 сжатия герметизировано рабочее тело. Примерами рабочего тела являются газообразный гелий, газ на основе водорода и воздух. В данном примере в качестве рабочего тела используется газообразный гелий.

[0038] Внутри цилиндрической части 36а имеется траектория циркуляции 36d, которая соединяет полость 42 расширения и полость 43 сжатия. По траектории циркуляции 36d рабочее тело циркулирует между полостью 42 расширения и полостью 43 сжатия.

[0039] Траектория циркуляции 36d включает высокотемпературную часть 45, низкотемпературную часть 46 и регенератор 47. В полости 42 расширения рабочее тело последовательно проходит через высокотемпературную часть 45, регенератор 47 и низкотемпературную часть 46 и поступает в полость 43 сжатия. В полости 43 сжатия рабочее тело последовательно проходит через низкотемпературную часть 46, регенератор 47 и высокотемпературную часть 45 и поступает в полость 42 расширения.

[0040] Высокотемпературная часть 45 представляет собой теплообменник для нагревания рабочего тела. Теплопередающая труба 48 находится вне высокотемпературной части 45. Теплопередающая труба 45 соединяет третью трубу 32с и четвертую трубу 32d и обеспечивает циркуляцию теплоносителя из третьей трубы 32с в четверную трубу 32d. Когда теплоноситель из третьей трубы 32с поступает в теплопередающую трубу 48, тепло от теплоносителя передается к высокотемпературной части 45, и рабочее тело, проходящее по высокотемпературной части 45, нагревается.

[0041] Низкотемпературная часть 46 представляет собой теплообменник для охлаждения рабочего тела. Охлаждающая труба 49 находится вне низкотемпературной части 46. Охлаждающая труба 49 соединена с узлом подачи хладагента (не показан). По охлаждающей трубе 49 циркулирует хладагент, подаваемый из узла подачи хладагента. Когда хладагент протекает по охлаждающей трубе 49, он снимает тепло рабочего тела, проходящего по низкотемпературной части 46, и рабочее тело охлаждается. Хладагентом является, например, вода.

[0042] Регенератор 47 представляет собой теплообменник для накопления тепла. Регенератор 47 установлен между высокотемпературной частью 45 и низкотемпературной частью 46. Когда рабочее тело перемещается из полости 42 расширения в полость 43 сжатия, регенератор 47 получает и накапливает тепло рабочего тела, прошедшего через высокотемпературную часть 45. Когда рабочее тело перемещается из полости 43 сжатия в полость 42 расширения, регенератор 47 отдает накопленное тепло рабочему телу, прошедшему через низкотемпературную часть 46.

[0043] Коленчатый элемент 36е находится на другом конце цилиндрической части 36а. Коленчатый элемент 36е включает, например, коленчатый вал, опирающийся с возможностью вращения на кривошипную камеру, стержень, соединенный с вытесняющим поршнем 36b, стержень, соединенный с силовым поршнем 36с, и соединительный элемент, соединяющий стержень с коленчатым валом. Коленчатый элемент 36е преобразует возвратно-поступательные движения вытесняющего поршня 36b и силового поршня 36с во вращательное движения коленчатого вала.

[0044] Двигатель Стерлинга 36 соединен с электрогенератором 40. Электрогенератор 40 соединен с коленчатым валом двигателя Стерлинга 36 и вследствие вращения коленчатого вала вырабатывает электроэнергию.

[0045] Термоэлектрический преобразователь 37 преобразует тепло теплоносителя, циркулирующего по четвертой трубе 32d, в электроэнергию с использованием эффекта Зеебека. Термоэлектрический преобразователь 37 вырабатывает электроэнергию при температуре теплоносителя, например, 300°С или ниже. Термоэлектрический преобразователь 37 имеет трубчатую форму и закрывает внешнюю поверхность четвертой трубы 32d.

[0046] Термоэлектрический преобразователь 37 включает модуль 37а термоэлектрической конверсии, находящийся на его внутренней стороне, и охлаждающий элемент 37b, находящийся на его наружной стороне. Модуль 37а термоэлектрической конверсии включает поглощающий тепло субстрат, обращенный к четвертой трубе 32d, электрод стороны поглощения тепла, находящийся на поглощающем тепло субстрате, рассеивающий тепло субстрат, обращенный к охлаждающему элементу 37b, электрод стороны рассеяния тепла, находящийся на рассеивающем тепло субстрате, термоэлектрические элементы p-типа, каждый из которых изготовлен из полупроводника p-типа, и термоэлектрические элементы n-типа, каждый из которых изготовлен из полупроводника n-типа. В данном примере, в модуле 37а термоэлектрической конверсии термоэлектрические элементы p-типа и термоэлектрические элементы n-типа размещены попеременно, соседствующие термоэлектрический элемент p-типа и термоэлектрический элемент n-типа электрически соединены друг с другом электродом стороны поглощения тепла и электродом стороны рассеяния тепла. Концевой вывод электрически соединен с термоэлектрическим элементом p-типа, находящемся на одном конце модуля 37а термоэлектрической конверсии, и термоэлектрическим элементом n-типа, находящемся на другом конце модуля 37а термоэлектрической конверсии, посредством электрода стороны рассеяния тепла. Охлаждающий элемент 37b реализован, например, как труба, по которой циркулирует охлаждающая вода. Следовательно, термоэлектрической преобразователь 37 генерирует электроэнергию вследствие разности температур между внутренней поверхностью и наружной поверхностью.

[0047] Конструкция теплогенерирующего модуля 18 далее описана подробно со ссылкой на фиг. 2 и 3. Помимо теплогенерирующей структуры 20 и нагревателя 21, теплогенерирующий модуль 18 включает центральную трубку 50, стержневую часть 51 и опорную часть 52. Центральная трубка 50 выполнена трубчатой. В данном примере центральная трубка имеет цилиндрическую форму. Центральная трубка 50 изготовлена, например, из муллита или оксида алюминия. Центральная трубка 50 расположена в пространстве, образованном внутренней поверхностью нагревателя 21. Теплогенерирующая структура 20 находится внутри центральной трубки 50.

[0048] Стержневая часть 51 выполнена трубчатой. В данном примере стержневая часть 51 имеет цилиндрическую форму. Например, один конец стержневой части 51 прикреплен к верхней крышке герметичного контейнера 15, а другой конец стержневой части 51 прикреплен к нижней крышке герметичного контейнера 15. Датчик 22 температуры установлен внутри стержневой части 51 (см. фиг 1 и 3).

[0049] Опорная часть 52 выполнена трубчатой. В данном примере опорная часть 52 имеет цилиндрическую форму. Стержневая часть 51 вставлена в опорную часть 52. В данном варианте осуществления изобретения четыре опорных части 52 с равными интервалами размещены вдоль продольного направления (осевого направления) стержневой части 51. Каждая опорная часть 52 прикреплена к стержневой части 51 при помощи болта 53. Опорная часть 52 поддерживает теплогенерирующую структуру 20. Теплогенерирующая структура 20 прикреплена к стержневой части 51 посредством опорной части 52.

[0050] Теплогенерирующая структура 20 включает теплогенерирующий элемент 55, вырабатывающий тепло при поглощении и выделении водорода, содержащегося в газе на основе водорода, держатель 56, который удерживает теплогенерирующий элемент 55, и раму 57, представляющую собой наружную раму. Теплогенерирующая структура 20 включает, по меньшей мере, один теплогенерирующий элемент 55, и количество теплогенерирующих элементов 55 может быть изменено надлежащим образом.

[0051] Теплогенерирующий элемент 55 имеет пластинчатую форму. В данном примере теплогенерирующий элемент 55 имеет четырехугольную форму. Теплогенерирующий элемент 55 расположен вертикально вдоль направления, в котором внутри герметичного контейнера 15 перемещается газ на основе водорода. Таким образом, например, когда водород, поглощенный теплогенерирующей структурой 20, высвобождается, газ на основе водорода внутри герметичного контейнера 15 плавно течет от впуска 15b к выпуску 15а без препятствий со стороны теплогенерирующего элемента 55.

[0052] В настоящем варианте осуществления изобретения множество теплогенерирующих элементов 55 расположено радиально вокруг стержневой части 51. В этом примере использовано 16 теплогенерирующих элементов 55. Множество теплогенерирующих элементов 55 нагревается за счет тепла нагревателя 21 и тепла соседних теплогенерирующих элементов 55. В результате, возможно уменьшить подводимую к нагревателю 21 энергию, необходимую для поддержания заданной температуры. Конструкция теплогенерирующего элемента 55 будет подробно описана далее со ссылкой на другие чертежи.

[0053] Держатель 56 выполнен в форме бруска, имеющего продольное направление. В данном примере держатель 56 имеет форму бруска квадратного сечения. Держатель 56 расположен так, что его продольное направление перпендикулярно направлению, в котором внутри герметичного контейнера 15 перемещается газ на основе водорода. В настоящем варианте осуществления изобретения множество держателей 56 расположено радиально вокруг стержневой части 51. Один конец держателя 56 в продольном направлении находится дальше от стержневой части 51, чем другой конец.

[0054] На поверхности держателя 56 выполнена канавка 60, ориентированная в продольном направлении держателя 56. Краевая часть теплогенерирующего элемента 55 вставлена в канавку 60. В данном примере канавка 60 выполнена в промежуточной части между одним и другим концами держателя 56. То есть, канавка 60 не проходит сквозь держатель 56 в продольном направлении, и одна концевая сторона держателя 56 является глухим концом. Следовательно, теплогенерирующий элемент 55, вставленный в канавку 60, не может перемещаться к концу держателя 56 и выпадать из него.

[0055] В настоящем варианте осуществления изобретения один теплогенерирующий элемент 55 удерживается парой держателей 56, расположенных на верхней стороне и нижней стороне относительно потока газа на основе водорода внутри герметичного контейнера 15. В данном примере для удерживания 16 теплогенерирующих элементов 55 использовано 16 пар держателей 56. Пары держателей 56 расположены так, что поверхности, на которых выполнены канавки 60, обращены друг к другу.

[0056] Рама 57 соединена с держателем 56. В настоящем варианте осуществления изобретения пара рам 57, расположенных на верхней стороне и нижней стороне относительно потока газа на основе водорода внутри герметичного контейнера 15, соединена с парой держателей 56. Рама 57 включает внутреннюю раму 57а и наружную раму 57b. Внутренняя рама 57а и наружная рама 57b соединены с держателем 56 болтами 61.

[0057] Внутренняя рама 57а имеет пластинчатую форму. В данном примере внутренняя рама 57а имеет форму диска. Отверстие 62, в которое вставляется стержневая часть 51, выполнено в центре внутренней рамы 57а. Отверстие 62 имеет, например, круглую форму. Диаметр отверстия 62 внутренней рамы 57а меньше или равен наружному диаметру опорной части 52. Следовательно, в состоянии, когда стержневая часть 51 вставлена в отверстие 62, внутренняя рама 57а вступает в контакт с концом опорной части 52, и перемещение внутренней рамы 57а в продольном направлении ограничено.

[0058] Наружная рама 57b имеет форму рамы. В данном примере наружная рама 57b имеет форму кольца. Наружная рама 57b расположена дальше от стержневой части 51, чем внутренняя рама 57а, и между наружной рамой 57b и внутренней рамой 57а образуется зазор. Газ на основе водорода протекает через зазор, образовавшийся между наружной рамой 57b и внутренней рамой 57а. Таким образом, газ на основе водорода внутри герметичного контейнера 15 плавно перемещается от впуска 15b к выпуску 15а. Во внутренней раме 57а и наружной раме 57b могут быть выполнены отверстия для более плавного перемещения газа на основе водорода.

[0059] Конструкция теплогенерирующего элемента 55 описана подробно со ссылкой на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, теплогенерирующий элемент 55 включает основу 66 и многослойную пленку 67.

[0060] Основа 66 изготовлена из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов. Примерами водород-аккумулирующего металла являются Ni, Pd, V, Nb, Ta и Ti. Примерами водород-аккумулирующего сплава являются LaNi₅, CaCu₅, MgZn₂, ZrNi₂, ZrCr₂, TiFe, TiCo, Mg₂Ni Mg₂Cu. Примерами проводника протонов являются проводник на основе BaCeO₃ (например, Ba(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6), проводник на основе SrCeO₃ (например, Sr(Ce_0.95Y_0.05)O_3-6), проводник на основе CaZrO₃ (например, CaZr_0.95Y_0.05O_3-α), проводник на основе SrZrO₃ (например, SrZr_0.9Y_0.1O_3-α), β Al₂O₃ и β Ga₂O₃.

[0061] Многослойная пленка 67 нанесена на основу 66. Хотя на фиг. 4 показано, что многослойная пленка 67 нанесена только на одну поверхность основы 66, многослойная пленка 67 может быть нанесена на обе поверхности основы 66. В настоящем варианте осуществления изобретения теплогенерирующая структура 20 включает теплогенерирующий элемент 55, в котором многослойная пленка 67 имеется на обеих поверхностях основы 66. Когда теплогенерирующая структура 20 образована теплогенерирующим элементом 55, в котором многослойная пленка 67 нанесена только на одну поверхность основы 66, является предпочтительным, чтобы два теплогенерирующих элемента 55 были расположены так, чтобы основами 66 они были обращены друг к другу и удерживались парой держателей 56. Следовательно, многослойные пленки 67 теплогенерирующих элементов 55 находятся на обеих поверхностях теплогенерирующей структуры 20.

[0062] Многослойная пленка 67 включает первый слой 71, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, и второй слой 72, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от первого слоя 71, или керамики. Описываемая далее гетерогенная граница 73 соприкосновения материалов образуется между основой 66 и первым слоем 71 и вторым слоем 72. Как показано на фиг. 4, многослойная пленка 67 образована путем попеременного наложения на поверхность основы 66 первого слоя 71 и второго слоя 72 в этом порядке. Первый слой 71 и второй слой 72, каждый, образуют пять слоев. Число слоев первого слоя 71 и второго слоя 72, для каждого, может быть изменено надлежащим образом. Многослойная пленка 67 может быть образована путем попеременного наложения на поверхность основы 66 второго слоя 72 и первого слоя 71 в указанном порядке. Предпочтительно, многослойная пленка 67 включает один или несколько первых слоев 71 и один или несколько вторых слоев 72, при этом, предпочтительно, образуется одна или несколько границ 73 соприкосновения материалов.

[0063] Первый слой 71 изготовлен, например, из любого из следующих металлов Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co и его сплава. Сплав для создания первого слоя 71, предпочтительно, представляет собой сплав, изготовленный из двух или нескольких из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для создания первого слоя 71 может представлять собой сплав, полученный путем добавления дополнительного элемента к Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co.

[0064] Второй слой 72 изготовлен, например, из любого из следующих металлов Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co и его сплава и SiC. Сплав для создания второго слоя 72, предпочтительно, представляет собой сплав, изготовленный из двух или нескольких из Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для создания второго слоя 72 может представлять собой сплав, полученный путем добавления дополнительного элемента к Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg и Co.

[0065] Комбинацией первого слоя 71 и второго слоя 72, предпочтительно, является Pd-Ni, Ni-Cu, Ni-Cr, Ni-Fe, Ni-Mg и Ni-Co, где типы элементов означают «первый слой 71-второй слой 72 (второй слой 72-первый слой 71)». Когда второй слой 72 изготовлен из керамики, сочетанием «первый слой 71-второй слой 72», предпочтительно, является Ni-SiC.

[0066] Как показано на фиг. 5, атомы водорода проникают через гетерогенную границу 73 соприкосновения материалов. На фиг. 5 представлена пояснительная схема, на которой показано состояние, в котором атомы водорода в кристаллической решетке метала первого слоя 71 проникают через гетерогенную границу 73 соприкосновения материалов в кристаллическую решетку металла второго слоя 72, когда первый слой 71 и второй слой 72, каждый из которых изготовлен из водород-аккумулирующего металла, имеющего кубическую гранецентрированную структуру, заставляют поглощать водород, и когда первый слой 71 и второй слой 72 нагревают.

[0067] Теплогенерирующий элемент 55 поглощает водород посредством основы 66 и многослойной пленки 67, когда газ на основе водорода подают в герметичный контейнер 15. Даже когда подача газа на основе водорода прекращена, теплогенерирующий элемент 55 сохраняет состояние, в котором водород поглощен основой 66 и многослойной пленкой 67. В теплогенерирующем элементе 55, когда начато нагревание нагревателем 21, поглощенный основой 66 и многослойной пленкой 67 водород высвобождается, и происходит квантовая диффузия со скачкообразным переходом внутри многослойной пленки 67. Известно, что водород является легким элементом и совершает прыжок по типу квантовой диффузии в позиции (октаэдрической позиции или тетраэдрической позиции), занимаемой атомом водорода в определенном веществе А и веществе В. Когда теплогенерирующий элемент 55 нагревают нагревателем 21 в вакуумированном состоянии, водород проникает через гетерогенную границу 73 соприкосновения материалов по типу квантовой диффузии и выделяет избыточное тепло, большее и равное температуре нагревания нагревателя 21.

[0068] Толщина каждого из слоев: первого слоя 71 и второго слоя 72, предпочтительно, меньше 1000 нм. Когда толщина каждого из слоев: первого слоя 71 и второго слоя 72 составляет 1000 нм или более, водород с меньшей вероятностью проникает через многослойную пленку 67. Когда толщина каждого из слоев: первого слоя 71 и второго слоя 72 меньше 1000 нм, может существовать наноструктура, не имеющая объемных свойств. Более предпочтительно, толщина каждого из слоев: первого слоя 71 и второго слоя 72 меньше 500 нм. Когда толщина каждого из слоев: первого слоя 71 и второго слоя 72 меньше 500 нм, может существовать наноструктура, которая вообще не имеет объемных свойств.

[0069] Далее описан один из примеров способа изготовления теплогенерирующего элемента 55. Готовят основу 66 пластинчатой формы, для переведения водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава для формирования первого слоя 71 или второго слоя 72 в газовую фазу используют испарительное устройство, затем на основу 66 путем агрегирования или адсорбции попеременно наносят первый слой 71 и второй слой 72 так, что получают теплогенерирующий элемент 55. Первый слой 71 и второй слой 72, предпочтительно, формируют непрерывно в вакуумированном состоянии. Таким образом, между первым слоем 71 и вторым слоем 72 не образуется естественной оксидной пленки, и имеется только гетерогенная граница 73 соприкосновения материалов. Испарительное устройство может представлять собой устройство физического испарения, в котором водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав испаряют физическим методом. Устройство физического испарения, предпочтительно, представляет собой распылительное устройство, устройство испарения в вакууме и устройство химического парофазного осаждения (chemical vapor deposition, CVD). В качестве альтернативы, водород-аккумулирующий металл или водород-аккумулирующий сплав могут быть осаждены на основу 66 электролитическим методом с попеременным формированием первого слоя 71 и второго слоя 72.

[0070] Поскольку теплогенерирующий элемент 55 генерирует тепло с использованием водорода, в нем не образуются парниковые газы, такие как диоксид углерода. Используемый водород получают из воды, поэтому он недорогой. В отличие от реакции деления ядер, явление теплогенерации с использованием теплогенерирующего элемента 55 безопасно, поскольку цепная реакция отсутствует. Следовательно, поскольку в системе 10 утилизации тепла и теплогенерирующем устройстве 11 в качестве источника тепловой энергии применен теплогенерирующий элемент 55, возможно получение недорогой, чистой и безопасной энергии.

[0071] Изобретение не ограничивается описанным выше первым вариантом своего осуществления и может быть надлежащим образом модифицировано без отступления от объема изобретения.

[0072] В первом варианте осуществления изобретения, хотя многослойная пленка 67 теплогенерирующего элемента 55 включает первый слой 71 и второй слой 72, структура многослойной пленки 67 этим вариантом не ограничивается.

[0073] Например, как показано на фиг. 6, в теплогенерирующем элементе 75 многослойная пленка 67, нанесенная на основу 66, дополнительно к первому слою 71 и второму слою 72 включает третий слой 77. Третий слой 77 изготовлен из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от первого слоя 71 и второго слоя 72. Толщина третьего слоя 77, предпочтительно, меньше 1000 нм. Как показано на фиг. 6, первый слой 71, второй слой 72 и третий слой 77 расположены друг над другом на поверхности основы 66 в следующем порядке: первый слой 71, второй слой 72, первый слой 71 и третий слой 77. Первый слой 71, второй слой 72 и третий слой 77 могут располагаться на поверхности основы 66 в порядке первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71 и второй слой 72. То есть, многослойная пленка 67 имеет пакетированную структуру, в которой первый слой 71 находится между вторым слоем 72 и третьим слоем 77. Предпочтительно, многослойная пленка 67 включает один или несколько третьих слоев 77. Подобно гетерогенной границе 73 соприкосновения материалов, атомы водорода проникают через гетерогенную границу 78 соприкосновения материалов между первым слоем 71 и третьим слоем 77. Теплогенерирующий элемент 75 может быть использован вместо теплогенерирующего элемента 55. То есть, теплогенерирующая структура 20 может включать теплогенерирующий элемент 75.

[0074] Третий слой 77 изготовлен, например, из любого из элементов Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, его сплава, SiC, CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO. Сплав для создания третьего слоя 77, предпочтительно, представляет собой сплав, изготовленный из двух или нескольких элементов из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для создания третьего слоя 77 может представлять собой сплав, полученный путем добавления дополнительного элемента к Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co.

[0075] В частности, третий слой 77 изготовлен, предпочтительно, из одного из следующих соединений: CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO. В теплогенерирующем элементе 75, включающем третий слой 77, изготовленный из любого из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, увеличено количество поглощаемого водорода, увеличено количество водорода, проникающего через гетерогенную границу 73 и 78 соприкосновения материалов, и может быть достигнут высокий выход избыточного тепла. Толщина третьего слоя 77, изготовленного из одного из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, предпочтительно, составляет 10 нм или менее. Следовательно, атомы водорода легко проникают через многослойную пленку 67. Третий слой 77, изготовленный из одного из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, может быть нанесен не по всей форме пленки, и может иметь форму острова. Первый слой 71 и третий слой 77, предпочтительно, формируют непрерывно в вакуумированном состоянии. Таким образом, между первым слоем 71 и третьим слоем 77 не образуется естественной оксидной пленки, и имеется только гетерогенная граница 78 соприкосновения материалов.

[0076] Сочетание первого слоя 71, второго слоя 72 и третьего слоя 77 представляет собой, предпочтительно, Pd-CaO-Ni, Pd-Y₂O₃-Ni, Pd-TiC-Ni, Pd-LaB₆-Ni, Ni-CaO-Cu, Ni-Y₂O₃-Cu, Ni-TiC-Cu, Ni-LaB₆-Cu, Ni-Co-Cu, Ni-CaO-Cr, Ni-Y₂O₃-Cr, Ni-TiC-Cr, Ni-LaB₆-Cr, Ni-CaO-Fe, Ni-Y₂O₃-Fe, Ni-TiC-Fe, Ni-LaB₆-Fe, Ni-Cr-Fe, Ni-CaO-Mg, Ni-Y₂O₃-Mg, Ni-TiC-Mg, Ni-LaB₆-Mg, Ni-CaO-Co, Ni-Y₂O₃-Co, Ni-TiC-Co, Ni-LaB₆-Co, Ni-CaO-SiC, Ni-Y₂O₃-SiC, Ni-TiC-SiC и Ni-LaB₆-SiC, где типы элементов означают «первый слой 71-третий слой 77-второй слой 72».

[0077] Теплогенерирующая структура 20 вместо теплогенерирующего элемента 55 или теплогенерирующего элемента 75 может включать теплогенерирующий элемент 80, показанный на фиг. 7. Как показано на фиг. 7, в теплогенерирующем элементе 80 многослойная пленка 67, нанесенная на основу 66, дополнительно к первому слою 71, второму слою 72 и третьему слою 77 включает четвертый слой 82. Четвертый слой 82 изготовлен из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от первого слоя 71, второго слоя 72 и третьего слоя 77. Толщина четвертого слоя 82, предпочтительно, меньше 1000 нм. Как показано на фиг. 7, первый слой 71, второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 расположены друг над другом на поверхности основы 66 в следующем порядке: первый слой 71, второй слой 72, первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71, четвертый слой 82. Первый слой 71, второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 могут располагаться на поверхности основы 66 в порядке первый слой 71, четвертый слой 82, первый слой 71, третий слой 77, первый слой 71, второй слой 72. То есть, многослойная пленка 67 имеет пакетированную структуру, в которой второй слой 72, третий слой 77 и четвертый слой 82 уложены в любом порядке, и первый слой 71 находится между вторым слоем 72 и третьим слоем 77, между третьим слоем 77 и четвертым слоем 82 и между вторым слоем 72 и четвертым слоем 82. Предпочтительно, многослойная пленка 67 включает один или несколько четвертых слоев 82. Подобно гетерогенной границе 73 соприкосновения материалов и гетерогенной границе 78 соприкосновения материалов, атомы водорода проникают через гетерогенную границу 83 соприкосновения материалов между первым слоем 71 и четвертым слоем 82. Теплогенерирующий элемент 80 может быть использован вместо теплогенерирующего элемента 55. То есть, теплогенерирующая структура 20 может включать теплогенерирующий элемент 80.

[0078] Четвертый слой 82 изготовлен, например, из любого из элементов Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, его сплава, SiC, CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO. Сплав для создания четвертого слоя 82, предпочтительно, представляет собой сплав, изготовленный из двух или нескольких элементов из Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co. Сплав для создания четвертого слоя 82 может представлять собой сплав, полученный путем добавления дополнительного элемента к Ni, Pd, Cu, Cr, Fe, Mg и Co.

[0079] В частности, четвертый слой 82 изготовлен, предпочтительно, из одного из следующих соединений: CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO. В теплогенерирующем элементе 80, включающем четвертый слой 82, изготовленный из любого из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, увеличено количество поглощаемого водорода, увеличено количество водорода, проникающего через гетерогенную границу 73, 78 и 83 соприкосновения материалов, и может быть достигнут высокий выход избыточного тепла. Толщина четвертого слоя 82, изготовленного из одного из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, предпочтительно, составляет 10 нм или менее. Следовательно, атомы водорода легко проникают через многослойную пленку 67. Четвертый слой 82, изготовленный из одного из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO, может быть нанесен не по всей форме пленки, и может иметь форму острова. Первый слой 71 и четвертый слой 82, предпочтительно, формируют непрерывно в вакуумированном состоянии. Таким образом, между первым слоем 71 и четвертым слоем 82 не образуется естественной оксидной пленки, и имеется только гетерогенная граница 83 соприкосновения материалов.

[0080] Сочетание первого слоя 71, второго слоя 72, третьего слоя 77 и четвертого слоя 82 представляет собой, предпочтительно, Ni-CaO-Cr-Fe, Ni-Y₂O₃-Cr-Fe, Ni-TiC-Cr-Fe и Ni-LaB₆-Cr-Fe, где типы элементов означают «первый слой 71-четвертый слой 82-третий слой 77-второй слой 72».

[0081] Конфигурация многослойной пленки 67, то есть, соотношение толщины слоев, число слоев каждого типа и материал, может быть надлежащим образом изменена в соответствии с используемой температурой. Далее, после описания «зависимости между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом», «зависимости между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом» и «зависимости между материалом многослойной пленки и избыточным теплом» будет описан пример конфигурации многослойной пленки 67, соответствующий некоторой температуре.

[0082] Сначала будет описана «зависимость между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между отношением толщины второго слоя 72 к толщине первого слоя 71 и избыточным теплом изучали с использованием теплогенерирующего элемента 55, включающего основу 66, изготовленную из Ni, и многослойную пленку 67, в которой первый слой 71 изготовлен из Cu, а второй слой 72 изготовлен из Ni. Далее соотношение толщины слоев многослойной пленки 67 обозначено Ni:Cu.

[0083] Подготовили восемь типов теплогенерирующих элементов 55, в которых многослойную пленку 67 формировали в одинаковых условиях за исключением отношения Ni:Cu, и использовали в качестве примеров 1-8. Многослойную пленку 67 наносили только на поверхность основы 66. Отношение Ni:Cu в теплогенерирующих элементах 55, соответствующих примерам 1-8, было, соответственно, 7:1, 14:1, 4,33:1, 3:1, 5:1, 8:1, 6:1 и 6,5:1. В каждом из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, многослойную пленку 67 создавали путем повторения пакетированной конфигурации, включающей первый слой 71 и второй слой 72. В каждом из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, число слоев в пакетированной конфигурации многослойной пленки 67 (далее именуемое «число слоев многослойной пленки») было равно 5. Толщина многослойной пленки 67 в целом в каждом из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, была, по существу, одинаковой. Подготовили экспериментальное теплогенерирующее устройство (не показано) для изучения зависимости между соотношением толщин каждого слоя многослойной пленки 67 и избыточным теплом, и каждый из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, вводили в экспериментальное теплогенерирующее устройство.

[0084] Далее описано экспериментальное теплогенерирующее устройство. Экспериментальное теплогенерирующее устройство включает герметичный контейнер, два теплогенерирующих элемента, размещенных внутри герметичного контейнера, и нагреватель, который нагревает теплогенерирующие элементы. Теплогенерирующий элемент имеет пластинчатую форму. Нагреватель представляет собой керамический нагреватель пластинчатой формы со встроенной термопарой. Нагреватель расположен между двумя теплогенерирующими элементами. Два теплогенерирующих элемента 55 имеют одинаковую конфигурацию, то есть, одинаковое, Ni:Cu. Герметичный контейнер соединен с линией подачи газа на основе водорода и выпускной линией. Линия подачи газа на основе водорода соединяет газовый баллон, в котором хранится газ на основе водорода, с герметичным контейнером. На линии подачи газа на основе водорода установлен регулировочный клапан и т.п. для регулирования подаваемого количества газа на основе водорода, хранящегося в газовом баллоне, в герметичный контейнер. Выпускная линия соединяет сухой насос для вакуумирования герметичного контейнера с герметичным контейнером. На выпускной линии установлен регулировочный клапан для регулирования количества отводимого газа. В экспериментальном теплогенерирующем устройстве в качестве газа на основе водорода использовали газообразный протий (производства Numata Oxygen Co., сорт 2, степень чистоты 99,999% об. или более).

[0085] Каждый из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, размещали внутри герметичного контейнера экспериментального теплогенерирующего устройства, и повторяли стадии поглощения водорода и высвобождения водорода. То есть, в экспериментальном теплогенерирующем устройстве многократно повторяли стадию поглощения водорода, содержащегося в газе на основе водорода, теплогенерирующим элементом 55 путем подачи газа на основе водорода внутрь герметичного контейнера и стадию высвобождения водорода, поглощенного теплогенерирующим элементом 55, путем вакуумирования герметичного контейнера и нагревания теплогенерирующего элемента 55. На стадии поглощения водорода газ на основе водорода подавали в герметичный контейнер при, примерно, 50 Па. Время поглощения водорода теплогенерирующим элементом 55 составляло около 64 часов. Перед стадией поглощения водорода, во-первых, внутреннее пространство герметичного контейнера подвергали термической обработке при помощи нагревателя при, примерно, 200°С или выше в течении 36 часов для удаления воды и т.п., осевшей на передней поверхности теплогенерирующего элемента 55. Стадии высвобождения водорода проводили, подводя к нагревателю электроэнергию 9 Вт, 18 Вт и 27 Вт, стадии поглощения водорода проводили между стадиями высвобождения водорода. Далее, на каждой из стадий высвобождения водорода при помощи встроенной в нагреватель термопары измеряли температуру теплогенерирующего элемента 55. Результаты представлены на фиг. 8. Фиг. 8 представляет собой график, полученный путем нанесения измеренных величин определенным способом. На фиг. 8 горизонтальная ось соответствует температуре нагревателя, вертикальная ось - электроэнергии, получаемой за счет избыточного тепла. Температура нагревателя равна температуре теплогенерирующего элемента 55 при заданной подводимой электрической мощности. На фиг. 8 пример 1 обозначен как «Ni:Cu=7:1», пример 2 обозначен как «Ni:Cu=14:1», пример 3 обозначен как «Ni:Cu=4,33:1», пример 4 обозначен как «Ni:Cu=3:1», пример 5 обозначен как «Ni:Cu=5:1», пример 6 обозначен как «Ni:Cu=8:1», пример 7 обозначен как «Ni:Cu=6:1» и пример 8 обозначен как «Ni:Cu=6,5:1».

[0086] Приведенными на фиг. 8 данными было подтверждено, что избыточное тепло генерировалось во всех теплогенерирующих элементах 55, соответствующих примерам 1-8. При сравнении теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1-8, при температуре нагревателя 700°С или выше было обнаружено, что теплогенерирующий элемент 55, соответствующий примеру 1, генерирует наибольшее количество избыточного тепла. При сравнении теплогенерирующего элемента, соответствующего примеру 3, с теплогенерирующими элементами 55, соответствующими примерам 1, 2, 4-8, было обнаружено, что теплогенерирующий элемент, соответствующий примеру 3, генерирует избыточное тепло в широком диапазоне, когда температура нагревателя составляет от 300°С или выше до 1000°С или ниже. Было обнаружено, что количество избыточного тепла увеличивается по мере повышения температуры нагревателя для теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1, 3-8, в которых Ni:Cu многослойной пленки 67 составляет от 3:1 до 8:1. Было обнаружено, что количество избыточного тепла уменьшается при температуре нагревателя 800°С или выше для теплогенерирующего элемента 55, соответствующего примеру 2, в котором Ni:Cu многослойной пленки 67 составляет 14:1. Так, полагают, что количество избыточного тепла не просто растет в соответствии с отношением Ni:Cu из-за квантового эффекта водорода в многослойной пленке 67.

[0087] Далее описана «зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между числом слоев многослойной пленки 67 и избыточным теплом изучали с использованием теплогенерирующего элемента 55, включающего основу 66, изготовленную из Ni, и многослойную пленку 67, состоящую из первого слоя 71, изготовленного из Cu, и второго слоя 72, изготовленного из Ni.

[0088] Подготовили восемь типов теплогенерирующих элементов 55, в которых многослойные пленки 67 были изготовлены в тех же условиях, что и условия изготовления теплогенерирующего элемента 55, соответствующего примеру 1, за исключением числа слоев, и использовали их в качестве примеров 9-16. Число слоев многослойных пленок 67 теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1, 9-16, составляло, соответственно, 5, 3, 7, 6, 8, 9, 12, 4 и 2.

[0089] Каждый из теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1, 9-16, был размещен в герметичном контейнере экспериментального теплогенерирующего устройства. Экспериментальное теплогенерирующее устройство было тем же, что и устройство, использованное для изучения описанной выше «зависимости между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом». В этом экспериментальном теплогенерирующем устройстве температуру каждого из теплогенерирующих элементов 55 на стадии высвобождения водорода измеряли так же, как и при изучении описанной выше «зависимости между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Результаты представлены на фиг. 9. Фиг. 9 представляет собой график, полученный путем нанесения измеренных величин определенным способом. На фиг. 9 горизонтальная ось соответствует температуре нагревателя, вертикальная ось - электроэнергии, получаемой за счет избыточного тепла. На фиг. 9, на основании толщины каждого слоя, пример 1 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 5 слоев», пример 9 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 3 слоя», пример 10 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 7 слоев», пример 11 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 6 слоев», пример 12 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 8 слоев», пример 13 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 9 слоев», пример 14 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 12 слоев», пример 15 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 4 слоя» и пример 16 обозначен как «Ni_0.875Cu_0.125 2 слоя».

[0090] Приведенными на фиг. 9 данными было подтверждено, что избыточное тепло генерировалось во всех теплогенерирующих элементах 55, соответствующих примерам 1, 9-16. При сравнении теплогенерирующих элементов 55, соответствующих примерам 1, 9-16, при температуре нагревателя 840°С или выше было обнаружено, что теплогенерирующий элемент 55, соответствующий примеру 11, в котором число слоев многослойной пленки составляло 6, генерировал наибольшее количество избыточного тепла, а теплогенерирующий элемент 55, соответствующий примеру 12, в котором число слоев многослойной пленки 67 составляло 8, генерировал наименьшее количество избыточного тепла. Так, полагают, что количество избыточного тепла не просто увеличивается в соответствии с числом слоев многослойной пленки 67, поскольку длина волны волновой функции водорода в многослойной пленке 67 лежит в нанометровом диапазоне и находится в противодействии с многослойной пленкой 67.

[0091] Далее описана «зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом». Зависимость между типом материала для создания третьего слоя 77 и избыточным теплом изучали с использованием теплогенерирующего элемента 75, включающего многослойную пленку 67, состоящую из первого слоя 71, изготовленного из Ni, второго слоя 72, изготовленного из Cu, и третьего слоя 77, изготовленного из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от материалов первого слоя 71 и второго слоя 72.

[0092] Подготовили девять типов теплогенерирующих элементов 75, в которых многослойные пленки 67 были изготовлены в тех же условиях, за исключением типа материала для изготовления третьего слоя 77, и использовали их в качестве примеров 17-25. Типами материала для изготовления третьего слоя 77 в теплогенерирующих элементах 75, соответствующих примерам 17-25, соответственно, были CaO, SiC, Y₂O₃, TiC, Co, LaB₆, ZrC, TiB₂ и CaOZrO.

[0093] Каждый из теплогенерирующих элементов 75, соответствующих примерам 17-25, был размещен в герметичном контейнере экспериментального теплогенерирующего устройства. Экспериментальное теплогенерирующее устройство было тем же, что и устройство, использованное для изучения описанной выше «зависимости между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом». В этом экспериментальном теплогенерирующем устройстве температуру каждого из теплогенерирующих элементов 75 на стадии высвобождения водорода измеряли тем же способом, что и при изучении описанной выше «зависимости между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом». Результаты представлены на фиг. 10. Фиг. 10 представляет собой график, полученный путем нанесения измеренных величин определенным способом. На фиг. 10 горизонтальная ось соответствует температуре нагревателя, вертикальная ось - электроэнергии, получаемой за счет избыточного тепла. На фиг. 10, на основании толщины каждого слоя, пример 17 был обозначен как «Ni_0,793CaO_0,113Cu_0,094», пример 18 был обозначен как «Ni_0,793SiC_0,113Cu_0,094», пример 19 был обозначен как «Ni_0,793Y₂O_30,113Cu_0,094», пример 20 был обозначен как «Ni_0,793TiC_0,113Cu_0,094», пример 21 был обозначен как «Ni_0,793Co_0,113Cu_0,094», пример 22 был обозначен как «Ni_0,793LaB_60,113Cu_0,094», пример 23 был обозначен как «Ni_0,793ZrC_0,113Cu_0,094», пример 24 был обозначен как «Ni_0,793TiB_20,113Cu_0,094» и пример 25 был обозначен как «Ni_0,793CaOZrO_0,113Cu_0,094».

[0094] Приведенными на фиг. 10 данными было подтверждено, что избыточное тепло генерировалось во всех теплогенерирующих элементах 75, соответствующих примерам 17-25. В частности, при сравнении примера 17, в котором материалом для изготовления третьего слоя 77 был СаО, примера 20, в котором материалом для изготовления третьего слоя 77 был TiC, и примера 22, в котором материалом для изготовления третьего слоя 77 был LaB₆, с примерами 18, 19, 21, 23-25 было обнаружено, что количество избыточного тепла увеличивается, по существу, линейно в широком диапазоне температуры нагревателя, составляющей от 400°С или выше до 1000°С или ниже. Материалы для изготовления третьего слоя 77 в примерах 17, 20 и 22 характеризовались меньшей работой выхода, чем у материалов в примерах 18, 19, 21, 23-25. Следовательно, было установлено, что тип материала для изготовления третьего слоя 77, предпочтительно, отличается небольшой работой выхода. Исходя из этих результатов, электронная плотность в многослойной пленке 67 может вносить вклад в реакцию, приводящую к генерированию избыточного тепла.

[0095] Далее описан пример конфигурации многослойной пленки 67 на основании температуры теплогенерирующей структуры 20. Например, что касается теплогенерирующих структур 20 верхней ступени, средней ступени и нижней ступени, показанных на фиг. 2 и 3, принимая во внимание описанную выше «зависимость между соотношением толщин слоев многослойной пленки и избыточным теплом», в теплогенерирующей структуре 20 нижней ступени, для которой задана низкая температура (например, в диапазоне от 50°С или выше до 500°С или ниже), соотношение толщин слоев многослойной пленки 67, предпочтительно, лежит в диапазоне от 2:1 или более до 5:1 или менее. В теплогенерирующей структуре 20 средней ступени со средней температурой (например, в диапазоне от 500°С или выше до 800°С или ниже), соотношение толщин слоев многослойной пленки 67, предпочтительно, лежит в диапазоне от 5:1 или более до 6:1 или менее. В теплогенерирующей структуре 20 верхней ступени со высокой температурой (например, в диапазоне от 800°С или выше до 1500°С или ниже), соотношение толщин слоев многослойной пленки 67, предпочтительно, лежит в диапазоне от 6:1 или более до 12:1 или менее.

[0096] Принимая во внимание описанную выше «зависимость между числом слоев многослойной пленки и избыточным теплом», в каждой из теплогенерирующих структур 20, для которых задана низкая температура, средняя температура и высокая температура, число слоев первого слоя 71 многослойной пленки 67, предпочтительно, лежит в диапазоне от 2 слоев или более до 18 слоев или менее, и число слоев второго слоя 72 многослойной пленки 67, предпочтительно, лежит в диапазоне от 2 слоев или более до 18 слоев или менее.

[0097] Когда теплогенерирующий элемент 75 используют вместо теплогенерирующего элемента 55 в теплогенерирующих структурах 20 верхней ступени, средней ступени и нижней ступени, показанных на фиг. 2 и 3, принимая во внимание описанную выше «зависимость между материалом многослойной пленки и избыточным теплом», в теплогенерирующей структуре 20 нижней ступени с низкой температурой первый слой 71, предпочтительно, изготовлен из Ni, второй слой 72, предпочтительно, изготовлен из Cu, третий слой 77, предпочтительно, изготовлен из Y₂O₃. В теплогенерирующей структуре 20 средней ступени со средней температурой первый слой 71, предпочтительно, изготовлен из Ni, второй слой 72, предпочтительно, изготовлен из Cu, третий слой 77, предпочтительно, изготовлен из TiC. В теплогенерирующей структуре 20 верхней ступени с высокой температурой первый слой 71, предпочтительно, изготовлен из Ni, второй слой 72, предпочтительно, изготовлен из Cu, третий слой 77, предпочтительно, изготовлен из СаО или LaB₆.

[0098] В первом варианте осуществления теплогенерирующая структура 20 имеет конфигурацию, в которой множество теплогенерирующих элементов 55 расположено радиально, хотя расположение теплогенерирующих элементов 55 может быть изменено надлежащим образом.

[0099] Например, как показано на фиг. 11, множество теплогенерирующих элементов 55 распложено линейно с зазором между ними. В этом случае является предпочтительным, чтобы нагреватель 21 имел форму трубы квадратного сечения. Таким образом, может быть сэкономлено место. Множество теплогенерирующих элементов 55 нагреваются за счет тепла нагревателя 21 и тепла соседних теплогенерирующих элементов 55. Таким образом, возможно уменьшить подводимую к нагревателю 21 энергию, необходимую для поддержания заданной температуры.

[0100] Направление расположения множества теплогенерирующих элементов 55, предпочтительно, перпендикулярно направлению, в котором внутри герметичного контейнера 15 перемещается газ на основе водорода. В этом случае, множество теплогенерирующих элементов 55 размещено вертикально вдоль направления, в котором внутри герметичного контейнера 15 перемещается газ на основе водорода. Следовательно, например, когда водород, поглощенный теплогенерирующей структурой 20, высвобождается, газ на основе водорода внутри герметичного контейнера 15 плавно течет от впуска 15b к выпуску 15а без помех со стороны теплогенерирующего элемента 55.

[0101] В первом варианте осуществления изобретения теплогенерирующий элемент 55 имеет пластинчатую форму, хотя форма теплогенерирующего элемента 55 может быть изменена надлежащим образом.

[0102] Как показано на фиг. 12, теплогенерирующий элемент 85 имеет цилиндрическую форму. Теплогенерирующая структура 20, показанная на фиг. 12, вместо теплогенерирующего элемента 55 включает теплогенерирующий элемент 85. Как показано на фиг. 12, теплогенерирующий элемент 85 имеет цилиндрическую форму, хотя теплогенерирующий элемент 85 может иметь форму трубы квадратного сечения. Если теплогенерирующий элемент 85 имеет цилиндрическую форму, газ на основе водорода проходит сквозь зазор между внутренней поверхностью нагревателя 21 и наружной поверхностью теплогенерирующего элемента 85 и через внутреннее пространство теплогенерирующего элемента 85. Осевое направление теплогенерирующего элемента 85, предпочтительно, параллельно направлению, в котором внутри герметичного контейнера 15 перемещается газ на основе водорода. Таким образом, например, когда водород, поглощенный теплогенерирующей структурой 20, высвобождается, газ на основе водорода внутри герметичного контейнера 15 плавно течет от впуска 15b к выпуску 15а без помех со стороны теплогенерирующего элемента 85.

[0103] Как показано на фиг. 13, теплогенерирующий элемент 86 имеет форму неплотно намотанной спирали. Теплогенерирующая структура 20, показанная на фиг. 13, вместо теплогенерирующего элемента 55 включает теплогенерирующий элемент 86. При неплотной намотке теплогенерирующего элемента 86 газ на основе водорода протекает сквозь зазор внутри теплогенерирующего элемента 86. Число витков теплогенерирующего элемента 86 может быть изменено надлежащим образом. Например, при увеличении числа витков теплогенерирующего элемента 86 увеличивается площадь контакта теплогенерирующего элемента 86 и газа на основе водорода, следовательно, может быть увеличен выход избыточного тепла. Таким образом, в теплогенерирующем элементе 86 спиральной формы выход избыточного числа может быть отрегулирован в соответствии с числом витков.

[0104] Форма теплогенерирующего элемента не ограничивается пластинчатой, трубчатой или спиральной и может представлять собой, например, порошок водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава.

[0105] В первом варианте осуществления изобретения для нагревания трех теплогенерирующих структур используется один нагреватель 21, хотя может быть использовано множество нагревателей 21. Например, три теплогенерирующих структуры 20 нагревают при помощи трех нагревателей 21. В этом случае блок 19 управления может управлять выходом избыточного тепла каждой из теплогенерирующих структур 20 путем изменения подводимой к каждому из нагревателей 21 электроэнергии на основании температуры, измеренной датчиком 22 температуры, имеющимся в каждой из теплогенерирующих структур 20. Например, блок 19 управления увеличивает выход избыточного тепла теплогенерирующей структуры 20 нижней ступени путем увеличения количества электроэнергии, подводимой к нагревателю 21, соответствующему теплогенерирующей структуре 20 нижней ступени. Блок 19 управления уменьшает количество электроэнергии, подводимой к нагревателю 21, соответствующему теплогенерирующей структуре верхней ступени, для уменьшения выхода избыточного тепла теплогенерирующей структуры 20 верхней ступени. Следовательно, возможно управление выходом избыточного тепла множества теплогенерирующих структур 20 в целом.

[0106] В первом варианте осуществления изобретения устройство 12 утилизации тепла включает вмещающий контейнер 31, узел 32 циркуляции теплоносителя, газовую турбину 33, парогенератор 34, паровую турбину 35, двигатель Стерлинга 36 и термоэлектрический преобразователь 37, хотя конфигурация устройства 12 утилизации тепла этим вариантом не ограничивается. Например, когда в качестве теплоносителя используют газ на основе водорода, вмещающий контейнер 31 может быть исключен из устройства 12 утилизации тепла путем соединения узла 32 циркуляции теплоносителя с герметичным контейнером 15 теплогенерирующего устройства 11.

[0107] Как показано на фиг. 14, устройство 12 утилизации тепла включает вмещающий контейнер 31, узел 32 циркуляции теплоносителя и паровую турбину 35 и в качестве теплоносителя может использовать воду. На фиг. 14 узел 16 выпуска газа, узел 17 подачи газа, блок 19 управления и т.п. теплогенерирующего устройства 11 не показаны. Воду подают во вмещающий контейнер 31. Над поверхностью воды во вмещающем контейнере 31 образуется некоторое пространство. Во вмещающем контейнере 31 между водой и теплогенерирующей структурой 20 происходит теплообмен, и вода вскипает, образуя пар. Узел 32 циркуляции теплоносителя включает трубу 32g подачи пара и трубу 32h подачи воды вместо первой трубы 32а, второй трубы 32b, третьей трубы 32с, четвертой трубы 32d, насоса 32е и блока 32f управления расходом теплоносителя. Труба 32g подачи пара обеспечивает подачу пара, образовавшегося во вмещающем контейнере 31, в паровую турбину 35. Труба 32h подачи воды включает конденсатор (не показан) и насос подачи воды (не показан). Пар, вышедший из паровой турбины 35, охлаждают в конденсаторе и рециркулируют в воду, воду подают во вмещающий контейнер 31 при помощи насоса подачи воды.

[0108] Устройство 12 утилизации тепла может включать только вмещающий контейнер 31 и узел 32 циркуляции теплоносителя. Теплоноситель, проходящий по узлу 32 циркуляции теплоносителя, используют в различных целях, таких как отопление домохозяйств, нагревание воды для бытовых нужд, отопление автомобилей, сельскохозяйственная нагревательная печь, нагревание дорожного покрытия, источник тепла для опреснения морской воды и дополнительный источник тепла геотермальной электростанции.

[0109] В первом варианте осуществления изобретения газовая турбина 33 соединена с электрогенератором 38 и используется в качестве источника энергии для производства электроэнергии, но газовая турбина 33 может быть использована и как двигатель без соединения с электрогенератором 38. Аналогично, паровая турбина 35 может использоваться в качестве двигателя без соединения с электрогенератором 39. Двигатель Стерлинга 36 может быть использован в качестве двигателя без соединения с электрогенератором 40.

[0110] 2. Второй вариант осуществления изобретения

Тепло, генерируемое теплогенерирующим элементом, может быть использовано для подогревания воздуха горения в камере сгорания, где сжигают топливо и воздух горения с целью получения тепла. Примерами камеры сгорания являются бойлер, вращающаяся печь, печь для термообработки металла, нагревательная печь для металлообработки, канальная печь, печь для спекания керамики, нефтеперегонная колонна, печь для сухой перегонки и сушильная печь. Далее описан случай, в котором воздух горения, подлежащий подаче в бойлер как пример камеры сгорания, подогревают с использованием тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом.

[0111] На фиг. 15 представлена схема конфигурации тепловой электростанции 91, включающей систему 90 утилизации тепла. Далее описана тепловая электростанция 91.

[0112] Тепловая электростанция 91 включает бойлер 92, паровую турбину 35 и электрогенератор 39. На данной тепловой электростанции 91 пар, образующийся в бойлере 92, подают в паровую турбину 35 по трубе 34g подачи пара, паровая турбина 35 вращается под действием пара и приводит в действие электрогенератор 39, соединенный с валом вращения паровой турбины 35 и вырабатывающий электроэнергию. Пар, вращающий паровую турбину 35, направляют в трубу 34h подачи воды, охлаждаемую конденсатором (не показан), и рециркулируют в воду. Воду, образующуюся в конденсаторе, направляют в бойлер 92 насосом подачи воды (не показан).

[0113] В бойлере 92 сжигают топливо и воздух горения для получения тепла; из воды под действием этого тепла образуется пар. Бойлер 92 включает печь 93, горелку 94, линию 95 подачи топлива и линию 96 подачи воздуха.

[0114] Печь 93 представляет собой трубчатое полое тело, в котором топливо вступает в реакцию с воздухом горения и сгорает. Печь 93 может иметь разную форму, например, цилиндрическую форму и форму трубы квадратного сечения. Воду подают в печь 93 насосом подачи воды (не показан), установленным на линии 34h подачи воды.

[0115] Горелка 94 предназначена для подачи в печь 93 топлива и воздуха горения извне печи 93. Горелка 94 установлена в нижней части печи 93. Горелка 94 обеспечивает горение топлива с образованием высокотемпературного топочного газа. Под действием тепла топочного газа вода в бойлере 92 испаряется, и образуется высокотемпературный пар высокого давления. Топочный газ проходит по газоходу 97, расположенному над печью 93, и выбрасывается как отработанный газ из дымовой трубы 98 в атмосферу.

[0116] Линия 95 подачи топлива обеспечивает подачу топлива в горелку 94. В качестве топлива используют ископаемое топливо, такое как уголь, природный газ, нефть, сжиженный природный газ (СПГ) и сжиженный нефтяной газ (СНГ). Уголь представляет собой приготовленную заранее угольную пыль. Природный газ представляет собой естественный ископаемый газ и т.п. и включает топливо, полученное из природного газа, такое как гидрат метана. Примерами нефти являются тяжелая нефть и легкая нефть. В качестве топлива может быть использована биомасса (древесная щепа и т.п.). Когда в качестве топлива используют угольную пыль, линия 95 подачи топлива обеспечивает подачу в горелку 94 смешанного газа, полученного путем смешивания угольной пыли с газом-носителем, таким как воздух. Когда в качестве топлива используют уголь, древесную щепу и т.п., может быть использован бойлер с псевдоожиженным слоем или бойлер с неподвижным слоем (стокер и т.п.). В этом случае топливо может быть подано в печь, и через горелку может вдуваться только подогретый воздух и т.п.

[0117] Линия 96 подачи воздуха обеспечивает подачу в горелку 94 воздуха горения. Воздух извне бойлера 92 подают в линию 96 подачи воздуха при помощи нагнетательного вентилятора (не показан) и т.п.

[0118] На линии 96 подачи воздуха имеется теплообменник 99. Теплообменник установлен на газоходе 97. Теплообменник 99 обеспечивает теплообмен между наружным воздухом, подаваемым в линию 96 подачи воздуха извне бойлера 92, и отработанным газом в газоходе 97. Наружный воздух, поданный в линию 96 подачи воздуха, нагревается теплообменником 99, превращаясь в подогретый воздух. Подогретый воздух, полученный при помощи теплообменника 99, подают в устройство 102 утилизации тепла, которое будет описано позже.

[0119] Далее описана система 90 утилизации тепла. Система 90 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 101, бойлер 92 и устройство 102 утилизации тепла. В системе 90 утилизации тепла происходит нагревание подогретого воздуха, поданного в устройство 102 утилизации тепла, с использованием тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом 105 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101.

[0120] Как показано на фиг. 16, теплогенерирующее устройство 101 включает множество теплогенерирующих секций 103. Фиг. 16 представляет собой вид в перспективе, на котором схематично показана конфигурация теплогенерирующего устройства 101 и устройства 102 утилизации тепла. На фиг. 16 часть теплогенерирующей секции 103 вырезана, чтобы показать ее внутреннее пространство. Теплогенерирующие секции 103 расположены на некотором расстоянии друг от друга. Каждая из теплогенерирующих секций 103 разъемно установлена на опоре (не показана). Число теплогенерирующих секций 103 не имеет определенного ограничения и может быть изменено надлежащим образом для получения заданного выхода. На фиг. 16 показано девять теплогенерирующих секций 103.

[0121] Теплогенерирующая секция 103 включает герметичный контейнер 104, в который подают газ на основе водорода, и теплогенерирующую структуру 106, размещенную в герметичном контейнере 104 и включающую теплогенерирующий элемент 105, который генерирует тепло вследствие поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода.

[0122] Герметичный контейнер 104 представляет собой трубчатое полое тело. Герметичный контейнер 104 может иметь разную форму, например, цилиндрическую форму и форму трубы квадратного сечения. В данном примере герметичный контейнер 104 имеет цилиндрическую форму. В герметичном контейнере 104 размещено множество теплогенерирующих структур 106.

[0123] Теплогенерирующий элемент 105 может иметь такую же конфигурацию, как, например, теплогенерирующий элемент 55 (см. фиг. 4), теплогенерирующий элемент 85 (см. фиг. 12) и теплогенерирующий элемент 86 (см. фиг. 13). В данном примере теплогенерирующий элемент 105 имеет пластинчатую форму, как и теплогенерирующий элемент 55. Множество теплогенерирующих элементов 105 установлено радиально с получением теплогенерирующей структуры 106.

[0124] Теплогенерирующий элемент 105 поглощает водород, содержащийся в газе на основе водорода в герметичном контейнере 104. Теплогенерирующий элемент 105 генерирует тепло вследствие движения поглощенного водорода под действием разности температур между температурой теплогенерирующего элемента 105 и температурой подогретого воздуха, подаваемого в устройство 102 утилизации тепла. Например, когда температура теплогенерирующего элемента 105 соответствует нормальной температуре (например, 25°С), и температура подогретого воздуха, подаваемого в устройство 102 утилизации тепла, равна, например, 250°С в начале работы устройства 102 утилизации тепла, между теплогенерирующим элементом 105 и подогретым воздухом возникает разность температур, поэтому теплогенерирующий элемент 105 начинает генерировать тепло. Затем, температура теплогенерирующего элемента 105 увеличивается, например, до 500°С - 800°С, и между теплогенерирующим элементом 105 и подогретым воздухом возникает разность температур, поэтому генерирование тепла теплогенерирующим элементом 105 продолжается. Таким образом, теплогенерирующее устройство 101 генерирует тепло под действием разности температур между теплогенерирующим элементом 105 и подогретым воздухом без многократно повторяющейся подачи и отведения газа на основе водорода.

[0125] Устройство 102 утилизации тепла включает корпус 108, в котором имеется теплогенерирующее устройство 101, впуск 109 воздуха, соединенный с теплообменником 99, и выпуск 110 воздуха, соединенный с горелкой 94. Подогретый воздух, получаемый в теплообменнике 99, подают через впуск 109 воздуха в корпус 108 и нагревают за счет тепла теплогенерирующего элемента 105, когда воздух проходит через зазор между теплогенерирующими секциями 103. Подогретый воздух, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента 105, отводят как воздух горения через выпуск 110 воздуха. Таким образом, устройство 102 утилизации тепла выполняет роль подогревателя воздуха, который подогревает воздух горения с использованием тепла теплогенерирующего элемента 105.

[0126] Как описано выше, система 90 утилизации тепла применена на тепловой электростанции 91 и осуществляет подогрев воздуха горения с использованием тепла теплогенерирующего элемента 105. Следовательно, может быть повышена эффективность использования топлива в бойлере 92 и уменьшено количество используемого топлива.

[0127] В системе 90 утилизации тепла, поскольку каждая из теплогенерирующих секций 103 является съемной, замена каждой из теплогенерирующих секций 103 может производиться индивидуально. Следовательно, возможно стабильное генерирование тепла теплогенерирующим устройством 101 благодаря замене теплогенерирующей секции 103, которая уже не вырабатывает тепло, на новую теплогенерирующую секцию 103. Кроме этого, все теплогенерирующие секции 103 могут быть заменены одновременно.

[0128] Теплогенерирующее устройство 101 может быть сконструировано таким образом, чтобы подача и отведение газа на основе водорода осуществлялись многократно. Как показано на фиг. 17, теплогенерирующее устройство 101, помимо множества теплогенерирующих секций 103, также включает питающий и выпускной коллектор 120 газа на основе водорода, соединенный с каждым из герметичных контейнеров 104, и трубу 121 водорода, соединенную с питающим и выпускным коллектором 120 газа на основе водорода. Труба 121 водорода соединена с узлом подачи газа и узлом выпуска газа (оба не показаны). Узел подачи газа обеспечивает подачу газа на основе водорода в герметичный контейнер 104 через питающий и выпускной коллектор 120 газа на основе водорода и трубу 121 водорода. Узел выпуска газа обеспечивает вакуумирование внутреннего пространства герметичного контейнера 104 через питающий и выпускной коллектор 120 газа на основе водорода и трубу 121 водорода. Путем многократной подачи и отведения газа на основе водорода можно достичь стабильного генерирования тепла теплогенерирующим элементом 105.

[0129] Конструкция теплогенерирующей секции 103, показанная на фиг. 16, является одним из примеров. То есть, теплогенерирующая секция 103 не ограничивается случаем, в котором теплогенерирующая секция 103 включает теплогенерирующую структуру 106, в которой множество теплогенерирующих элементов 105 размещено радиально. Размещение множества теплогенерирующих элементов 105 не ограничивается вариантом их радиального расположения и может быть изменено надлежащим образом.

[0130] Система 90 утилизации тепла может предусматривать циркуляцию воздуха горения, вышедшего из устройства 102 утилизации тепла. Как показано на фиг. 18, система 90 утилизации тепла дополнительно включает линию 125 циркуляции воздуха горения, по которой циркулирует воздух горения, циркуляционный вентилятор 126 с регулируемым расходом, установленный на линии 125 циркуляции воздуха горения, и блок 127 управления расходом циркуляционного потока, который приводит в действие циркуляционный вентилятор 126 с регулируемым расходом и регулирует расход циркуляционного потока воздуха горения.

[0131] На линии 96 подачи воздуха установлен датчик 128 температуры, измеряющий температуру воздуха горения, подаваемого в устройство 102 утилизации тепла, и датчик 129 температуры, измеряющий температуру воздуха горения, отводимого из устройства 102 утилизации тепла. Устройство 102 утилизации тепла снабжено датчиком 130 температуры, измеряющим температуру теплогенерирующего элемента 105 теплогенерирующей секции 103 или температуру в определенной части, позволяющую оценить температуру теплогенерирующего элемента 105. Блок 127 управления расходом циркуляционного потока электрически соединен с датчиками 128-130 температуры и регулирует расход циркуляционного потока воздуха горения путем приведения в действие циркуляционного вентилятора 126 с регулируемым расходом на основании величин температуры, измеренной датчиками 128-130 температуры.

[0132] Например, блок 127 управления расходом циркуляционного потока уменьшает температуру теплогенерирующего элемента 105 путем увеличения расхода циркулирующего потока воздуха горения, когда температура теплогенерирующего элемента 105 превышает заданную величину температуры. Блок 127 управления расходом циркуляционного потока увеличивает температуру теплогенерирующего элемента 105 путем уменьшения расхода циркулирующего потока воздуха горения, когда температура теплогенерирующего элемента 105 меньше или равна заданной величине температуры.

[0133] Датчик расхода (не показан), который измеряет расход воздуха горения, может быть установлен на линии 96 подачи воздуха или на линии 125 циркуляции воздуха горения; и регулирование расхода циркуляционного потока воздуха горения может осуществляться на основании температуры и расхода воздуха горения.

[0134] На линии 96 подачи воздуха может быть установлен нагреватель (не показан) для нагревания воздуха горения. Нагреватель может увеличивать температуру теплогенерирующего элемента 105. Когда температура теплогенерирующего элемента 105 увеличивается до заданной величины температуры, теплогенерирующий элемент 105 начинает генерировать тепло. Нагреватель работает, например, когда система 90 утилизации тепла начинает работать, или когда уменьшается температура теплогенерирующего элемента 105.

[0135] Устройство 102 утилизации тепла не ограничивается случаем, в котором подогретый воздух, полученный в теплообменнике 99, нагревают с использованием тепла теплогенерирующего элемента 105. Например, устройство 102 утилизации тепла может нагревать наружный воздух, поступающий в линию 96 подачи воздуха извне бойлера 92. В этом случае наружный воздух, нагретый теплогенерирующим элементом 105, может быть использован в качестве воздуха горения без использования теплообменника 99.

[0136] Воздух горения может быть смешан с отработанным газом. Например, газоход 97 может быть разветвлен и соединен с линией 96 подачи газа, а отработанный газ рециркулируют так, что он может быть смешан с воздухом горения. Устройство 102 утилизации тепла может подогревать воздух горения, смешанный с отработанным газом.

[0137] Устройство 102 утилизации тепла может подогревать воду, образующуюся в конденсаторе (не показан) при вращении паровой турбины 35, дополнительно или вместо подогрева воздуха горения, используемого в бойлере 92, включающем камеру сгорания. При рециркуляции подогретой воды в бойлер 92, увеличивается эффективность использования топлива в бойлере 92, и может быть уменьшено количество используемого топлива.

[0138] 3. Третий вариант осуществления изобретения

Отработанный газ, отводимый из камеры сгорания, такой как бойлер 92, в соответствии со вторым вариантом осуществления изобретения, обычно содержит диоксид углерода (СО₂). Одним из известных способов улавливания СО₂ из отработанного газа является улавливание и аккумулирование диоксида углерода (carbon dioxide capture and storage, CCS). CCS представляет собой способ отделения СО₂ от отработанного газа и хранение собранного СО₂ в подземном хранилище и т.п. с целью снижения количества СО₂, выбрасываемого в атмосферу. Примерами способа улавливания СО₂ является способ химической абсорбции и способ физической адсорбции. В способе химической абсорбции СО₂, содержащийся в отходящем газе, абсорбируют абсорбирующей жидкостью, такой как водный раствор аминового соединения, и при нагревании абсорбирующей жидкости, поглотившей СО₂, он высвобождается из абсорбирующей жидкости. В способе физической адсорбции СО₂, содержащийся в отработанном газе, адсорбируют адсорбентом, таким как активированный уголь или цеолит, и при нагревании адсорбента, в котором адсорбирован СО₂, он высвобождается из адсорбента.

[0139] В третьем варианте осуществления изобретения теплоноситель, нагретый за счет тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом, используют в качестве источника тепла для нагревания абсорбирующей жидкости, поглотившей СО₂ при осуществлении способа химической абсорбции. Далее описан случай осуществления способа химической абсорбции. Однако, теплоноситель, нагретый за счет тепла, генерируемого теплогенерирующим элементом, также может быть использован в качестве источника тепла для нагревания адсорбента, адсорбировавшего СО₂ при осуществлении способа физической адсорбции.

[0140] Как показано на фиг. 19, система 140 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 101 (см. фиг. 16), бойлер 142 и устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода. Поскольку теплогенерирующее устройство 101 имеет такую же конструкцию, как и во втором варианте осуществления изобретения, здесь его описание опускается.

[0141] Бойлер 142 является одним из примеров камеры сгорания, в которой при сгорании топлива и воздуха горения выделяется тепло. Отработанный газ, выпускаемый из бойлера 142, содержит диоксид углерода (СО₂). Например, бойлер 142 может иметь такую же конструкцию, как и бойлер 92 во втором варианте осуществления изобретения.

[0142] Устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода обеспечивает отделение и сбор СО₂, содержащегося в отработанном газе, отводимом из бойлера 142, включающего камеру сгорания, с использованием в качестве источника тепла теплоносителя, нагретого за счет тепла теплогенерирующего элемента 105 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101. В данном примере будет описан случай, в котором в качестве способа сбора СО₂ осуществляют способ химической абсорбции.

[0143] Как показано на фиг. 20, устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода включает абсорбционную колонну 145, регенерационную колонну 146 и ребойлер 147. Абсорбционная колонна 145 включает абсорбционную секцию 148, в которой происходит абсорбция СО₂, содержащегося в отработанном газе, отводимом из бойлера 142, абсорбирующей жидкостью. Из абсорбционной колонны 145 абсорбирующую жидкость, поглотившую СО₂ в абсорбционной секции 148, подают в регенерационную колонну 146. Абсорбирующую жидкость, абсорбировавшую СО₂, называют обогащенной жидкостью. На фиг. 20 обогащенная жидкость обозначена номером позиции 149. Регенерационная колонна 146 включает регенерационную секцию 150, где происходит высвобождение СО₂ из абсорбирующей жидкости, поданной из абсорбционной колонны 145 с целью регенерации абсорбционной жидкости. Из регенерационной колонны 146 абсорбирующую жидкость, из которой в регенерационной секции 150 отделили СО₂, подают в абсорбционную колонну 145. Абсорбирующую жидкость, из которой удалили СО₂, называют обедненной жидкостью. На фиг. 20 обедненная жидкость обозначена номером позиции 151.

[0144] В устройстве 143 отделения и сбора диоксида углерода обогащенную жидкость 149 подают из абсорбционной колонны 145 в регенерационную колонну 146, а обедненную жидкость 151 возвращают из регенерационной колонны 146 в абсорбционную колонну 145. Таким образом, в устройстве 143 отделения и сбора диоксида углерода предусмотрена циркуляция абсорбирующей жидкости. Между абсорбционной колонной 145 и регенерационной колонной 146 имеются, хотя и не показанные на фигуре, насос подачи обогащенной жидкости, предназначенный для подачи обогащенной жидкости 149 из абсорбционной колонны 145 в регенерационную колонну 146, насос подачи обедненной жидкости, предназначенный для подачи обедненной жидкости 151 из регенерационной колонны 146 в абсорбционную колонну 145, и т.п.

[0145] В абсорбционной колонне 145 также имеется подающее сопло 152 обедненной жидкости, предназначенное для введения обедненной жидкости 151, поданной из регенерационной колонны 146. Подающее сопло 152 обедненной жидкости расположено над абсорбционной секцией 148 и обеспечивает капельную подачу обедненной жидкости 151 в абсорбционную секцию 148.

[0146] Отработанный газ, содержащий СО₂, подают из бойлера 142 в нижнюю часть абсорбционной секции 148 абсорбционной колонны 145. Отработанный газ, поданный в абсорбционную колонну 145, поднимается к абсорбционной секции 148.

[0147] В абсорбционной секции 148 отработанный газ, содержащий СО₂, вступает в контакт с обедненной жидкостью 151. В абсорбционной секции 148 происходит абсорбция СО₂, содержащегося в отработанном газе, обедненной жидкостью 151, тем самым, обедненная жидкость 151 превращается в обогащенную жидкость 149. Обогащенную жидкость 149 отводят из нижней части абсорбционной колонны 145 и подают в регенерационную колонну 146. СО₂ удаляется из отработанного газа при контакте с обедненной жидкостью 151. Отработанный газ после удаления из него СО₂ отводят из верхней части абсорбционной колонны и выбрасывают в атмосферу.

[0148] В регенерационной колонне 146 также имеется подающее сопло 153 обогащенной жидкости, предназначенное для введения обогащенной жидкости 149, поданной из абсорбционной колонны 145. Подающее сопло 153 обогащенной жидкости расположено над регенерационной секцией 150 и обеспечивает капельную подачу обогащенной жидкости 149 в регенерационную секцию 150.

[0149] Ребойлер 147 соединен с регенерационной колонной 146. Ребойлер 147 обеспечивает нагревание обедненной жидкости 151 в регенерационной колонне 146 и образование пара 154 абсорбирующей жидкости вследствие испарения обедненной жидкости 151.

[0150] Ребойлер 147 включает вмещающий контейнер 147а, в котором распложено теплогенерирующее устройство 101, и узел 147b циркуляции теплоносителя, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя между пространством внутри и вовне вмещающего контейнера 147а. Теплоноситель нагревается при прохождении через зазор между внутренней поверхностью вмещающего контейнера 147а и наружной поверхностью герметичного контейнера 104 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101. Ребойлер 147 обеспечивает нагревание обедненной жидкости 151, используя в качестве источника тепла теплоноситель, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента 105 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101.

[0151] Узел 147b циркуляции теплоносителя включает вентилятор с регулируемым расходом и блок управления расходом, которые не показаны на фигуре. В ребойлере 147 обеспечивается регулирование температуры теплоносителя до заданной величины путем управления вентилятором с регулируемым расходом и регулирования расхода теплоносителя при помощи блока управления расходом. В данном примере температуру теплоносителя регулируют так, чтобы обедненная жидкость 151 испарялась с образованием пара 154 абсорбирующей жидкости.

[0152] Пар 154 абсорбирующей жидкости, образовавшийся в ребойлере 147, подают в нижнюю часть регенерационной секции 150 регенерационной колонны 146. Пар 154 абсорбирующей жидкости, поданный в регенерационную колонну 146, поднимается к регенерационной секции 150.

[0153] В регенерационной секции 150 пар 154 абсорбирующей жидкости и обогащенная жидкость 149 вступают в контакт друг с другом. В регенерационной секции 150 происходит нагревание обогащенной жидкости 149 паром 154 абсорбирующей жидкости и высвобождение СО₂ из обогащенной жидкости 149, таким образом, обогащенная жидкость 149 превращается в обедненную жидкость 151. То есть, обогащенная жидкость 149 регенерируется до обедненной жидкости 151. Обедненную жидкость 151 выводят из нижней части регенерационной колонны 146, часть ее подают в абсорбционную колонну 145, а оставшуюся часть подают в ребойлер 147. Пар 154 абсорбирующей жидкости, контактирующий с обогащенной жидкостью 149, отводят из верхней части регенерационной колонны 146 вместе с СО₂, высвободившимся из обогащенной жидкости 149.

[0154] Между абсорбционной колонной 145 и регенерационной колонной 146 установлен теплообменник 155. Теплообменник 155 обеспечивает теплообмен между обогащенной жидкостью 149, подаваемой из абсорбционной колонны 145 в регенерационную колонну 146, и обедненной жидкостью 151, подаваемой из регенерационной колонны 146 в абсорбционную колонну. Таким образом, обогащенная жидкость 149 нагревается, а обедненная жидкость 151 охлаждается.

[0155] Устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода также включает, например, разделительный барабан (не показан), и пар 154 абсорбирующей жидкости и СО₂, отведенные из верхней части регенерационной секции 150, поступают в разделительный барабан. Пар 154 абсорбирующей жидкости и СО₂, поданные в разделительный барабан, разделяют на воду и СО₂ путем охлаждения пара 154 абсорбирующей жидкости с образованием воды. Таким образом, устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода может обеспечивать отделение и сбор СО₂ из отработанного газа бойлера 142. Устройство 143 отделения и сбора диоксида углерода представляет собой устройство утилизации тепла, в котором в качестве источника тепла используется теплоноситель, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента 105 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101, для отделения и сбора СО₂, как описано выше.

[0156] Как описано выше, поскольку в системе 140 утилизации тепла теплогенерирующий элемент 105 используется в качестве источника тепла для отделения и сбора СО₂, содержащегося во отработанном газе, отводимом из бойлера 142, включающего камеру сгорания, количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу, может быть уменьшено.

[0157] 4. Четвертый вариант осуществления изобретения

Диоксид углерода (СО₂) отделенный и собранный при помощи устройства 143 отделения и сбора диоксида углерода и т.п. в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения, может быть преобразован в метан (СН₄) путем проведения реакции с водородом (Н₂). СН₄ получают из сырья, которым является газ, содержащий СО₂ и Н₂, путем приведения сырьевого газа в контакт с катализатором, при этом, используют катализатор, вызывающий реакцию (реакцию метанирования) между СО₂ и Н₂. Однако, когда температура сырьевого газа низкая, реакция не идет в достаточной степени. В четвертом варианте осуществления изобретения сырьевой газ, содержащий СО₂ и Н₂, нагревают, используя в качестве источника тепла теплоноситель, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента.

[0158] Как показано на фиг. 21, система 160 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 101 (см. фиг. 16) и устройство 162 получения метана. Поскольку теплогенерирующее устройство 101 имеет такую же конструкцию, как и во втором варианте осуществления изобретения, здесь его описание опускается.

[0159] Устройство 162 получения метана включает реактор 163, линию 164 подачи сырьевого газа и нагреватель 165 сырьевого газа.

[0160] В реакторе 163 имеется катализатор 167, который вызывает реакцию между СО₂ и Н₂, соответствующей уравнению (1).

CO₂+4H₂ → CH₄+2H₂O (1)

[0161] Катализатор 167 не имеет определенных ограничений при условии, что он катализирует реакцию между СО₂ и Н₂ с образованием СН₄. Например, в качестве катализатора 167 может быть использован катализатор на основе никеля (Ni), катализатор на основе рутения (Ru) и катализатор на основе платины (Pt).

[0162] Линия 164 подачи сырьевого газа обеспечивает подачу сырьевого газа, содержащего СО₂ и Н₂, в реактор 163. Как показано на фиг. 21, линия 164 подачи сырьевого газа представляет собой линию, по которой сырьевой газ, содержащий СО₂ и Н₂, поступает в результате слияния линии, по которой циркулирует СО₂, с линией, по которой циркулирует Н₂, и линия подачи сырьевого газа соединена с реактором 163.

[0163] Линия 164 подачи сырьевого газа включает устройство 168 электролиза, в котором проводят электролиз воды (Н₂О) с целью получения водорода (Н₂) и кислорода (О₂). В устройстве 168 электролиза электролиз воды проводят, например, с использованием электроэнергии, полученной в результате работы электрогенератора 39 (см. фиг. 15). О₂, образующийся в устройстве 168 электролиза, смешивают с СО₂ в линии 164 подачи сырьевого газа. О₂, образующийся в устройстве 168 электролиза, подают, например, в линию 96 подачи воздуха (см. фиг. 15) в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения и смешивают с воздухом горения. Линия 164 подачи сырьевого газа может быть соединена с резервуаром Н₂, в котором Н₂ накапливают и хранят, и откуда обеспечивают подачу Н₂.

[0164] Линия 164 подачи сырьевого газа соединена с устройством 143 отделения и сбора диоксида углерода (см. фиг. 19 и 20) в соответствии с третьим вариантом осуществления изобретения. Следовательно, СО₂, полученный в устройстве 143 отделения и сбора диоксида углерода, смешивают с Н₂ в линии 164 подачи сырьевого газа. Линия 164 подачи сырьевого газа может быть соединена с резервуаром СО₂, в котором хранят СО₂ и откуда обеспечивают подачу СО₂.

[0165] Нагреватель 165 сырьевого газа установлен на линии 164 подачи сырьевого газа и обеспечивает нагревание сырьевого газа, циркулирующего по линии 164 подачи сырьевого газа. Нагреватель 165 сырьевого газа включает вмещающий контейнер 165а, в котором находится теплогенерирующее устройство 101, и узел 165b циркуляции теплоносителя, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя между пространством внутри и снаружи вмещающего контейнера 165а. Теплоноситель нагревается при прохождении через зазор, образованный между внутренней поверхностью вмещающего контейнера 165а и наружной поверхностью герметичного контейнера 104 (см. фиг. 16) теплогенерирующего устройства 101. Сырьевой газ нагревают путем теплообмена между сырьевым газом и теплоносителем. Сырьевой газ нагревают, например, до 400°С.

[0166] В устройстве 162 получения метана имеется катализатор 167 для получения СН₄ из сырьевого газа, содержащего СО₂ и Н₂, происходит нагревание сырьевого газа с использованием в качестве источника тепла теплоносителя, нагретого за счет тепла теплогенерирующего элемента 105 (см. фиг. 16), и, тем самым, осуществляется реакция между СО₂ и Н₂. Когда нагретый сырьевой газ вступает в контакт с катализатором 167, происходит реакция между СО₂ и Н₂, и образуется СН₄. СН₄, образовавшийся в устройстве 162 получения метана, подают в качестве синтезированного природного газа (synthesized natural gas, SNG), например, в существующее инфраструктурное оборудование. В устройстве 162 получения метана в процессе получения СН₄ из сырьевого газа в реакторе 163 также образуется вода. Н₂О, образовавшуюся в реакторе 163, подают, например, в устройство 168 электролиза.

[0167] Как описано выше, поскольку система 160 утилизации тепла включает теплогенерирующее устройство 101 (см. фиг. 16) и устройство 162 получения метана, теплогенерирующий элемент 105 используется в качестве источника тепла для получения СН₄ из сырьевого газа, содержащего СО₂ и Н₂, и, таким образом, количество СО₂, выбрасываемого в атмосферу, может быть уменьшено по сравнению со случаем, в котором в качестве источника тепла используется камера сгорания.

[0168] Кроме этого, в системе 160 утилизации тепла СО₂, содержащийся в отработанном газе, отводимом из камеры сгорания, подают в устройство 162 получения метана, таким образом, СО₂ преобразуют в СН₄, и количество выбрасываемого в атмосферу СО₂ дополнительно уменьшается.

[0169] В четвертом варианте осуществления изобретения теплогенерирующий элемент 105 используют в качестве источника тепла для получения СН₄ из сырьевого газа, содержащего СО₂ и Н₂. Однако, теплоноситель, нагретый, например, примерно до 800°С за счет тепла теплогенерирующего элемента 105, может быть использован в качестве источника тепла в цикле IS, в котором водород получают из воды с использованием тепловой энергии, или цикле ISN, в котором аммиак (NH₃) получают из воды и азота (N₂) с использованием тепловой энергии. В цикле IS проводят реакцию между водой, йодом (I) и серой (S) с получением йодида водорода (HI), йодид водорода подвергают термическому разложению с получением водорода. В качестве источника тепла для термического разложения йодида водорода может быть использован теплоноситель, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента 105. В цикле ISN проводят реакцию между азотом и йодидом водорода, полученным в цикле IS, с получением йодида аммония (NH₄I), проводят термическое разложение йодида аммония с получением аммиака. В качестве источника тепла для термического разложения йодида аммония может быть использован теплоноситель, нагретый за счет тепла теплогенерирующего элемента 105.

[0170] 5. Модификация

Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше вариантами осуществления и может быть надлежащим образом модифицировано в рамках сущности изобретения.

[0171] В герметичном контейнере, где расположена теплогенерирующая структура, может быть предусмотрено наличие ребра для улучшения теплообмена. Герметичный контейнер с ребром описан далее со ссылкой на фиг. 22-24.

[0172] Как показано на фиг. 22, герметичный контейнер 170 включает корпус 171 с некоторым пространством внутри него и ребро 172, расположенное на наружной поверхности корпуса 171. В герметичном контейнере 170 размещена теплогенерирующая структура 173 со множеством теплогенерирующих элементов 55 (см. фиг. 23). Конфигурация герметичного контейнера 170, описанная ниже, является примером конфигурации, необходимой, когда внутреннюю температуру герметичного контейнера 170 поддерживают равной от 600°С до 800°С, теплогенерирующая структура 173 включает 48 теплогенерирующих элементов 55, и выход каждого из теплогенерирующих элементов 55 составляет 20 Вт.

[0173] Корпус 171 имеет трубчатую форму. Хотя на фиг. 22 показан корпус 171 с цилиндрической наружной формой, корпус 171 может иметь разную форму, например, форму эллиптического цилиндра и форму трубы квадратного сечения. Длина корпуса 171 составляет, например, 250 мм. Диаметр корпуса 171 составляет, например, 80 мм. Когда корпус 171 имеет форму эллиптического цилиндра, диаметр корпуса 171 соответствует большей оси эллипса. Когда корпус 171 имеет форму трубы квадратного сечения, диаметр корпуса 171 соответствует диаметру описанной окружности.

[0174] Предпочтительно, корпус 171 изготовлен из материала с температурой плавления 1000°С или выше и теплопроводностью 50 Вт/м∙К или более. Например, в качестве материала для изготовления корпуса 171 используют медь, никель или вольфрам. Когда материалом корпуса 171 является медь, толщина корпуса 171 составляет, предпочтительно, 0,5 мм или более, более предпочтительно, 1 мм или более. Когда материалом корпуса 171 является никель или вольфрам, толщина корпуса 171 составляет, предпочтительно, 0,25 мм или более, более предпочтительно, 0,5 мм или более. В качестве материала для изготовления корпуса 171 также можно использовать золото и серебро, однако, медь, никель и вольфрам являются предпочтительными, поскольку они дешевле. Когда температура внутри контейнера 170 составляет менее 600°С, в качестве материала для изготовления корпуса 171 может быть использовано железо.

[0175] Ребро 172 имеет форму спирали на наружной поверхности корпуса 171. Число оборотов ребра 172 равно, например, 20. Ребро 172 является лентообразным. Ширина ребра 172 равна, например, 20 мм. Следовательно, диаметр герметичного контейнера 170 равен 120 мм. Интервал (шаг) витков ребра 172 вдоль продольного направления контейнера 171, предпочтительно, составляет 100 мм или менее, более предпочтительно, 50 мм или менее. Поверхность теплопередачи ребра 172 составляет, предпочтительно, 0,1 м²/кВт или более. В качестве материала для изготовления ребра 172 может быть использован, например, тот же материал, что и для изготовления корпуса 171, то есть, медь, никель, вольфрам и т.п. В качестве материала для изготовления ребра 172 может быть использован алюминий.

[0176] На фиг. 23 представлен вид в поперечном сечении корпуса 171 в радиальном направлении. Как показано на фиг. 23, множество теплогенерирующих элементов 55 контактирует со внутренней поверхностью корпуса 171. Внутренняя поверхность корпуса 171 образована множеством плоских поверхностей. На фиг. 23 внутренняя поверхность корпуса 171 показана образованной шестью плоскими поверхностями. То есть, форма поперечного сечения полой части корпуса 171 является гексагональной. Шесть теплогенерирующих элементов 55, размещенных на плоскостях вдоль окружности корпуса 171, обращены друг к другу. Определенное количество из множества теплогенерирующих элементов 55, обращенных друг к другу, образуют комплект. В данном примере комплект образован шестью теплогенерирующими элементами 55.

[0177] На фиг. 24 представлен вид в поперечном сечении корпуса 171 в перпендикулярном радиальному направлении. Как показано на фиг. 24, множество теплогенерирующих элементов 55 размещено вдоль продольного направления корпуса 171 на каждой плоскости, образующей внутреннюю поверхность контейнера 171. В данном примере восемь теплогенерирующих элементов 55 расположено с одинаковыми интервалами вдоль продольного направления корпуса 171 относительно одной плоскости. То есть, вдоль продольного направления корпуса 171 имеется восемь комплектов теплогенерирующих элементов 55.

[0178] Герметичный контейнер 170 и теплогенерирующая структура 173 образуют теплогенерирующую секцию 174. Теплогенерирующая секция 174 имеет, в целом, цилиндрическую форму. Теплогенерирующая секция 174 находится во вмещающем контейнере 176, имеющем некоторое внутреннее пространство. Во вмещающем контейнере 176 имеется приточный канал 176а, через который поступает теплоноситель, и сливной канал 176b, через который теплоноситель вытекает. Как показано на фиг. 24, во вмещающем контейнере 176 приточный канал 176а находится у одного конца в продольном направлении корпуса 171 теплогенерирующей секции 174, и сливной канал 176b находится у другого конца в продольном направлении корпуса 171 теплогенерирующей секции 174. Теплоноситель, поступающий через приточный канал 176а, движется по спирали вдоль ребра 172 герметичного контейнера 170 и вытекает через сливной канал 176b. Вмещающий контейнер 176 покрыт теплоизолирующим материалом 177. В качестве теплоносителя используют газ с низкой реакционной способностью и коррозионной активностью или газ, не подверженный агрегированию или химическому разложению. Предпочтительно, теплоносителем является, например, водяной пар, воздух, газообразный азот, газообразный аргон, газообразный гелий, газообразный ксенон, газообразный диоксид углерода, газообразный хлорфторуглерод или их газообразная смесь.

[0179] Как показано на фиг. 24, герметичный контейнер 170 соединен с питающим и выпускным коллектором 178 газа на основе водорода. Питающий и выпускной коллектор 178 газа на основе водорода соединен с трубой 179 подачи водорода. Таким образом, осуществляется многократная подача и отведение газа на основе водорода. Теплогенерирующая секция 174 может быть заменена благодаря разъемному соединению герметичного контейнера 170 и питающего и выпускного коллектора 178 газа на основе водорода

[0180] Как описано выше, поскольку теплогенерирующая секция 174 включает ребро 172, возможно увеличение площади контакта с теплоносителем, таким образом, можно интенсифицировать теплообмен между теплогенерирующей структурой 173 и теплоносителем.

[0181] В теплогенерирующей секции 174, поскольку ребро 172, имеющее спиральную форму, находится на наружной поверхности корпуса 171, теплоноситель может быть направлен спирально вдоль ребра 172, таким образом, время контакта с теплоносителем увеличено, и тепло теплогенерирующей структуры 173 может быть надежным образом передано теплоносителю.

[0182] Внутренняя поверхность корпуса 171 образована шестью плоскими поверхностями, однако, число плоских поверхностей, образующих внутреннюю поверхность, может быть надлежащим образом изменено. Например, внутренняя поверхность корпуса 171 может быть образована из восьми плоских поверхностей, и форма поперечного сечения полой части корпуса 171 может быть октагональной.

[0183] Вмещающий контейнер 176 может предусматривать размещение в нем множества теплогенерирующих секций 174. Например, во вмещающем контейнере 176 может быть размещено семь теплогенерирующих секций 174. Например, когда во вмещающем контейнере 176 размещено большое число теплогенерирующих секций 174, превышающее 20, является предпочтительным изменить положение приточного канала 176a и сливного канала 176b так, чтобы теплоноситель протекал в направлении, перпендикулярном продольному направлению корпуса 171 теплогенерирующей секции 174.

[0184] В герметичном контейнере 170 множество теплогенерирующих элементов 55 приведено в контакт со внутренней поверхностью корпуса 171, и тепло, генерируемое множеством теплогенерирующих элементов 55, передается непосредственно корпусу 171. Однако, может быть предусмотрено наличие теплопередающей опорной части, удерживающей множество теплогенерирующих элементов 55 вдали от внутренней поверхности корпуса 171 и передающей тепло от множества теплогенерирующих элементов 55 к корпусу 171.

[0185] Как показано на фиг. 25, герметичный контейнер 180 включает корпус 181, ребро 182 и теплопередающую опорную часть 183. В герметичном контейнере 180 размещена теплогенерирующая структура 184, включающая множество теплогенерирующих элементов 55. Корпус 181 имеет такую же конфигурацию, как и корпус 171, за исключением того, что форма поперечного сечения полой части является круглой. То есть, внутренняя поверхность корпуса 181 образована криволинейной поверхностью. Ребро 182 имеет такую же конфигурацию, что и ребро 172. Описание корпуса 181 и ребра 182 будет опущено. Герметичный контейнер 180 и теплогенерирующая структура 184 образуют теплогенерирующую секцию 185. Теплогенерирующая секция 185 имеет, в целом, цилиндрическую форму. Например, вместо теплогенерирующей секции 174 (см. фиг. 24) во вмещающем контейнере 176 размещена теплогенерирующая секция 185. На фиг. 25 представлен вид герметичного контейнера 180 в поперечном сечении, перпендикулярном радиальному направлению.

[0186] Теплопередающая опорная часть 183 находится внутри корпуса 181, поддерживает множество теплогенерирующих элементов 55 и передает тепло, генерируемое множеством теплогенерирующих элементов 55, к корпусу 181. Теплопередающая опорная часть 183 включает опорную стойку 183а, которая является опорой для множества теплогенерирующих элементов 55, и перемычку 183b, которая соединяет опорную стойку 183а и корпус 181. В данном примере используется теплогенерирующий элемент 55 10 Вт.

[0187] Теплопередающая опорная часть 183 включает, по меньшей мере, одну или несколько опорных стоек 183а и, по меньшей мере, одну или несколько перемычек 183b. В данном примере теплопередающая опорная часть 183 включает четыре опорных стойки 183а и три перемычки 183b. Четыре опорных стойки 183а находятся на определенном расстоянии друг от друга. Каждая опорная стойка 183а ориентирована в продольном направлении корпуса 181, оба ее конца прикреплены к корпусу 181 крепежным элементом (не показан). Три перемычки 183b размещены с заданными интервалами вдоль продольного направлении каждой опорной стойки 183а. Каждая перемычка 183b имеет, например, пластинчатую форму и соединяет каждую опорную стойку 183а с корпусом 181 посредством крепежного элемента (не показан).

[0188] Фиг. 26 представляет собой вид в поперечном радиальном сечении корпуса 181. Как показано на фиг. 26, каждая опорная стойка 183а имеет форму призмы. В данном примере опорные стойки 183а имеют форму четырехугольной призмы с квадратным поперечным сечением. Опорные стойки 183а расположены так, что определенные их поверхности обращены друг к другу. То есть, четыре опорных стойки 183а размещены в форме трубы квадратного сечения. Определенная поверхность каждой опорной стойки 183а названа передней поверхностью. Поверхность, противоположная определенной поверхности, названа задней поверхностью. Задняя поверхность каждой опорной стойки 183а обращена ко внутренней поверхности корпуса 181. Каждая опорная стойка 183а является опорой для теплогенерирующего элемента 55, по меньшей мере, на одной из поверхностей: передней поверхности и задней поверхности. Как показано на фиг. 26, теплогенерирующий элемент 55 опирается на обе поверхности (переднюю поверхность и заднюю поверхность) каждой опорной стойки 183а. Одна опорная стойка 183а является опорой для 12 теплогенерирующих элементов 55. Каждый из теплогенерирующих элементов 55 не контактирует со внутренней поверхностью корпуса 181 и отстоит от внутренней поверхности корпуса 181.

[0189] В качестве материала для изготовления теплопередающей опорной части 183, то есть, материала для изготовления опорной стойки 183а и перемычки 183b может быть использован тот же материал, что и для изготовления корпуса 181. Толщина опорной стойки 183а и перемычки 183b, предпочтительно, составляет 1 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из меди, и, предпочтительно, составляет 4,4 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из никеля, и, предпочтительно, составляет 2 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из вольфрама. Когда теплопередающая опорная часть 183 изготовлена из описанного выше материала и имеет различные размеры, тепло теплогенерирующего элемента 55 может быть передано корпусу 181 и ребру 182 посредством опорной стойки 183а и перемычки 183b. Даже когда температура теплогенерирующего элемента 55 мгновенно увеличивается, плавление и разрушение теплопередающей опорной части 183 исключено. Вместо размещения теплогенерирующего элемента 55 10 Вт на обеих поверхностях каждой опорной стойки 183а, как описано выше, например, когда на обеих поверхностях каждой опорной стойки 183а размещен теплогенерирующий элемент 55 20 Вт, или когда на передней поверхности или задней поверхности каждой опорной стойки 183а размещен теплогенерирующий элемент 55 40 Вт, является предпочтительным изменить различные размеры. Например, толщина опорной стойки 183а и перемычки 183b составляет, предпочтительно, 2 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из меди, предпочтительно, 8,4 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из никеля, предпочтительно, 4 мм или более, когда опорная стойка 183а и перемычка 183b изготовлены из вольфрама.

[0190] Как описано выше, поскольку теплогенерирующая секция 185 включает теплопередающую опорную часть 183, тепло теплогенерирующего элемента 55 может быть эффективным образом передано корпусу 181 и ребру 182, таким образом, может быть повышена эффективность теплообмена между теплогенерирующей структурой 184 и теплоносителем.

[0191] Теплопередающая опорная часть 183 включает четыре опорных стойки 183а, однако, число опорных стоек 183а может быть надлежащим образом изменено. Например, одна опорная стойка 183а может быть размещена в центре корпуса 181, или шесть опорных стоек 183а может быть размещено в форме трубы гексагонального сечения. Теплопередающая опорная часть 183 включает три перемычки 183b, однако, число перемычек 183b может быть изменено надлежащим образом.

[0192] Теплопередающая опорная часть 183 может быть размещена внутри корпуса 171, имеющего плоскую внутреннюю поверхность. Следовательно, множество теплогенерирующих элементов 55 размещены на каждой плоскости, образующей внутреннюю поверхность корпуса 171, и множество теплогенерирующих элементов 55 опирается на теплопередающую опорную часть 183, поэтому число теплогенерирующих элементов 55 может быть увеличено.

[0193] Теплогенерирующие секции 174 и 185 являются цилиндрическими, однако, теплогенерирующие секции могут иметь плоскую пластинчатую форму.

[0194] Как показано на фиг. 27, теплогенерирующая секция 190 включает герметичный контейнер 191, в который подают газ на основе водорода, и теплогенерирующую структуру 192, размещенную в герметичном контейнере 191. Например, теплогенерирующая секция 190 имеет плоскую пластинчатую форму длиной по вертикали 800 мм, длиной по горизонтали 600 мм и толщиной 15 мм. На фиг. 27 представлен вид теплогенерирующей секции 190 плоской пластинчатой формы в поперечном сечении, перпендикулярном направлению толщины.

[0195] Герметичный контейнер 191 включает корпус 193, внутри которого имеется некоторое пространство. Корпус 193 имеет плоскую пластинчатую форму. В данном примере форма поперечного сечения полой части является четырехугольной. Теплогенерирующая структура 192 включает множество теплогенерирующих элементов 55 и в данном примере образована из 60 теплогенерирующих элементов 55.

[0196] Корпус 193 соединен с питающим и выпускным коллектором 194 газа на основе водорода. Питающий и выпускной коллектор 194 газа на основе водорода соединен с трубой 195 подачи водорода. Таким образом, многократно осуществляется подача и отведение газа на основе водорода.

[0197] На фиг. 28 представлен вид теплогенерирующей секции 190 плоской пластинчатой формы в поперечном сечении в направлении толщины. Как показано на фиг. 28, корпус 193 контейнера имеет первую внутреннюю поверхность 193а и вторую внутреннюю поверхность 193b, обращенную к первой внутренней поверхности 193а. Множество теплогенерирующих элементов 55 расположено в контакте с первой внутренней поверхностью 193а и второй внутренней поверхностью 193b. В данном примере из 60 теплогенерирующих элементов 55 30 теплогенерирующих элементов 55 находится на первой внутренней поверхности 193а, и 30 теплогенерирующих элементов 55 находится на второй внутренней поверхности 193b. Теплогенерирующие элементы 55, размещенные на первой внутренней поверхности 193а, и теплогенерирующие элементы 55, размещенные на второй внутренней поверхности 193b, обращены друг к другу.

[0198] Как показано на фиг. 29, теплогенерирующая секция 190 находится во вмещающем контейнере 196, внутри которого имеется некоторое пространство. Наружная форма вмещающего контейнера 196, например, аналогична форме корпуса 193. Хотя в качестве примера описан случай, в котором в одном вмещающем контейнере 196 размещена одна теплогенерирующая секция 190, в одном вмещающем контейнере 196 может быть размещено множество теплогенерирующих секций 190.

[0199] Вмещающий контейнер 196 снабжен сопловой частью 196а для введения теплоносителя и сливным каналом 196b, по которому вытекает теплоноситель. При помощи сопловой части 196а теплоноситель разбрызгивают на поверхность теплогенерирующей секции 190 через рабочий конец. Вмещающий контейнер 196 снабжен, по меньшей мере, одной сопловой частью 196а и, по меньшей мере, одним сливным каналом 196b. Как показано на фиг. 29, сопловая часть 196а имеется на каждой из двух стенок, обращенных к теплогенерирующей секции 190, и сливной канал 196b имеется в каждой из двух стенок, отличных от стенок, в которых установлены сопловые части 196а.

[0200] Сопловая часть 196а включает инжекционную часть 198, обеспечивающую введение теплоносителя, и подводящую часть 199, соединенную с инжекционной частью 198. Инжекционная часть 198 находится на рабочем конце сопловой части 196а. Подводящая часть 199 направляет теплоноситель к инжекционной части 198. Теплоноситель, инжектированный из инжекционной части 198 и нагнетаемый на теплогенерирующую секцию 190, вытекает из вмещающего контейнера 196 через сливной канал 196b. На фиг. 29 показано, что в каждой из сопловых частей 196а имеется 11 инжекционных частей 198.

[0201] Как описано выше, теплогенерирующая секция 190 может быть образована путем выполнения корпуса 193 герметичного контейнера 191 в форме плоской пластины и размещения множества теплогенерирующих элементов 55 на первой внутренней поверхности 193а и второй внутренней поверхности 193b корпуса 193. Следовательно, упрощается производство, и могут быть уменьшены производственные издержки.

[0202] Теплогенерирующая секция 190 имеет конфигурацию, в которой герметичный контейнер 191 включает корпус 193, однако наружная поверхность корпуса 193 может быть снабжена ребром.

[0203] Как показано на фиг. 30, теплогенерирующая секция 200 включает герметичный контейнер 201 вместо герметичного контейнера 191 теплогенерирующей секции 190. Герметичный контейнер 201 включает корпус 193 и ребро 202, размещенное на наружной поверхности корпуса 193. Герметичный контейнер 201 снабжен, по меньшей мере, одним ребром 202. Ребро 202 образовано множеством гребней 203. Фиг.30 показывает вид сверху герметичного контейнера 201, образованного множеством гребней 203. Теплогенерирующая структура 192 (см. фиг. 27 и 28) находится в герметичном контейнере 201. То есть, теплогенерирующая секция 200 включает герметичный контейнер 201, в который подают газ на основе водорода, и теплогенерирующую структуру 192, размещенную в герметичном контейнере 201.

[0204] На фиг. 31 представлен вид сбоку герметичного контейнера 201, снабженного ребром 202, образованным из множества гребней 203. Как показано на фиг. 31, ребро 202 имеется на двух наружных противолежащих поверхностях корпуса 193. Множество гребней 203 выступает из наружной поверхности корпуса 193. В данном примере на каждой из двух наружных противолежащих поверхностей корпуса 193 имеется 16 гребней 203.

[0205] Теплогенерирующая секция 200, снабженная ребром 202, размещена, например, во вмещающем контейнере 176 (см. фиг.24), вмещающем контейнере 196 (см. фиг. 29), снабженном сопловой частью 196а, и т.п. Например, когда теплогенерирующая секция 200 с ребром 202 расположена во вмещающем контейнере 196, является предпочтительным размещать теплогенерирующую секцию 200 так, чтобы продольное направление множества гребней 203 совпадало с направлением циркуляции теплоносителя. Поскольку теплогенерирующая секция снабжена ребром 202, возможно увеличение площади контакта с теплоносителем, поэтому возможно повышение эффективности теплообмена между теплогенерирующей структурой 192 и теплоносителем.

[0206] Может быть подготовлено и соединено последовательно множество вмещающих контейнеров 176 и множество вмещающих контейнеров 196. Поскольку число теплогенерирующих секций 190 и число теплогенерирующих секций 200 увеличено, может быть увеличен выход.

[0207] Теплогенерирующая секция 174, показанная на фиг. 24, теплогенерирующая секция 185, показанная на фиг. 25, теплогенерирующая секция 190, показанная на фиг. 27 и теплогенерирующая секция 200, показанная на фиг. 30, могут быть использованы в теплогенерирующем устройстве 101 вместо теплогенерирующей секции 103, показанной на фиг. 16.

Список номеров позиций на фигурах

[0208]

10, 90, 140, 160 система утилизации тепла

11, 101 теплогенерирующее устройство

12, 102 устройство утилизации тепла

15, 104, 170, 180, 191, 201 герметичный контейнер

20, 106, 173, 184, 192 теплогенерирующая структура

21 нагреватель

31, 147а, 165а, 176, 196 вмещающий контейнер

32, 147b, 165b узел циркуляции теплоносителя

33 газовая турбина

34 парогенератор

35 паровая турбина

36 двигатель Стерлинга

37 термоэлектрический преобразователь

38, 39, 40 электрогенератор

55, 75, 80, 85, 86, 105 теплогенерирующий элемент

66 основа

67 многослойная пленка

71 первый слой

72 второй слой

77 третий слой

82 четвертый слой

125 линия циркуляции воздуха горения

126 циркуляционный вентилятор с регулируемым расходом

127 блок управления расходом циркуляционного потока

142 бойлер (камера сгорания)

143 устройство отделения и сбора диоксида углерода

162 устройство получения метана

167 катализатор

171, 181, 193 корпус

172, 182, 202 ребро

183 теплопередающая опорная часть

203 гребень.

Изобретением обеспечивается новая система утилизации тепла и теплогенерирующее устройство, использующие недорогой, чистый и безопасный источник тепловой энергии. Система 10 утилизации тепла включает: герметичный контейнер 15, в который подают газ на основе водорода; теплогенерирующую структуру 20, размещенную в герметичном контейнере 15, которая включает теплогенерирующий элемент, предназначенный для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода; и устройство 12 утилизации тепла, которое в качестве источника тепла использует теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующего элемента. Теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу. Многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 31 ил.

1. Система утилизации тепла, содержащая:

герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода;

теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере и включающую теплогенерирующий элемент, выполненный для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода; и

устройство утилизации тепла, которое в качестве источника тепла использует теплоноситель, нагретый теплом теплогенерирующего элемента, при этом

теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу, и

многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

2. Система утилизации тепла по п. 1, в которой

теплогенерирующая структура включает множество теплогенерирующих элементов, включающее теплогенерирующий элемент, при этом множество теплогенерирующих элементов расположено радиально.

3. Система утилизации тепла по п. 1, в которой

теплогенерирующая структура включает множество теплогенерирующих элементов, включающее теплогенерирующий элемент, при этом множество теплогенерирующих элементов расположено линейно с зазором между ними.

4. Система утилизации тепла по п. 1, в которой

теплогенерирующий элемент имеет цилиндрическую форму.

5. Система утилизации тепла по п. 1, в которой

теплогенерирующий элемент сформирован в виде спирали, которая смотана неплотным образом.

6. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-5, при этом система утилизации тепла включает множество теплогенерирующих структур, включающее теплогенерирующую структуру, причем множество теплогенерирующих структур размещено в направлении движения газа на основе водорода внутри герметичного контейнера.

7. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-6, дополнительно включающая:

нагреватель, который находится в герметичном контейнере и имеет трубчатую форму, при этом

теплогенерирующая структура размещена в пространстве, образованном внутренней поверхностью нагревателя.

8. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-7, при этом

устройство утилизации тепла включает вмещающий контейнер, в котором размещен герметичный контейнер, и

теплоноситель нагревается при прохождении через зазор, образованный внутренней поверхностью вмещающего контейнера и наружной поверхностью герметичного контейнера.

9. Система утилизации тепла по п. 8, при этом

устройство утилизации тепла включает узел циркуляции теплоносителя, предназначенный для обеспечения циркуляции теплоносителя между пространством внутри и снаружи вмещающего контейнера.

10. Система утилизации тепла по п. 9, при этом

устройство утилизации тепла включает по меньшей мере одно из следующего: газовую турбину, паровую турбину, двигатель Стерлинга и термоэлектрический преобразователь.

11. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-10, в которой

первый слой изготовлен из любого из следующих металлов Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co и его сплава и

второй слой изготовлен из любого из следующих металлов Ni, Pd, Cu, Mn, Cr, Fe, Mg, Co и его сплава и SiC.

12. Система утилизации тепла по любому из пп. 1-11, в которой

многослойная пленка включает третий слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или керамики, отличных от тех, из которых изготовлен первый слой и второй слой, толщиной менее 1000 нм, в дополнение к первому слою и второму слою.

13. Система утилизации тепла по п. 12, в которой

третий слой изготовлен из одного из CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO.

14. Система утилизации тепла по п. 13, в которой

многослойная пленка включает четвертый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от тех, из которых изготовлен первый слой, второй слой и третий слой, толщиной менее 1000 нм, в дополнение к первому слою, второму слою и третьему слою.

15. Система утилизации тепла по п. 14, в которой

четвертый слой изготовлен из одного из Ni, Cu, Cr, Fe, Mg, Co, их сплава, SiC, CaO, Y₂O₃, TiC, LaB₆, SrO и BaO.

16. Система утилизации тепла, включающая:

герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода;

теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере и включающую теплогенерирующий элемент, предназначенный для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода;

камеру сгорания, предназначенную для сжигания топлива и воздуха горения для генерирования тепла; и

устройство утилизации тепла, предназначенное для подогрева воздуха горения с использованием тепла теплогенерирующего элемента, при этом

теплогенерирующий элемент включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу, и

многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

17. Система утилизации тепла по п. 16, дополнительно включающая:

линию циркуляции воздуха горения, по которой циркулирует воздух горения;

циркуляционный вентилятор с регулируемым расходом, установленный на линии циркуляции воздуха горения; и

блок управления расходом циркуляционного потока, предназначенный для приведения в действие циркуляционного вентилятора с регулируемым расходом для регулирования расхода циркуляционного потока воздуха горения.

18. Система утилизации тепла по п. 16 или 17, дополнительно включающая

устройство отделения и сбора диоксида углерода, предназначенное для отделения и сбора диоксида углерода, содержащегося в отработанном газе, отводимом из камеры сгорания, с использованием в качестве источника тепла теплоносителя, нагретого за счет тепла теплогенерирующего элемента.

19. Система утилизации тепла по любому из пп. 16-18, дополнительно включающая

устройство получения метана, снабженное катализатором для получения метана из сырьевого газа, содержащего диоксид углерода и водород, которое предназначено для осуществления реакции между диоксидом углерода и водородом путем нагревания сырьевого газа с использованием в качестве источника тепла теплоносителя, нагретого за счет тепла теплогенерирующего элемента.

20. Теплогенерирующее устройство, включающее:

герметичный контейнер, в который подают газ на основе водорода; и

теплогенерирующую структуру, размещенную в герметичном контейнере, которая включает множество расположенных радиально теплогенерирующих элементов, предназначенных для генерирования тепла путем поглощения и высвобождения водорода, содержащегося в газе на основе водорода, при этом

каждый из множества теплогенерирующих элементов включает основу, изготовленную из водород-аккумулирующего металла, водород-аккумулирующего сплава или проводника протонов, и многослойную пленку, нанесенную на основу, и

многослойная пленка включает первый слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава и имеющий толщину менее 1000 нм, и второй слой, изготовленный из водород-аккумулирующего металла или водород-аккумулирующего сплава, отличного от металла или сплава первого слоя, или керамики и имеющий толщину менее 1000 нм.

21. Теплогенерирующее устройство по п. 20, при этом

теплогенерирующее устройство включает множество теплогенерирующих структур, включающее теплогенерирующую структуру, и множество теплогенерирующих структур размещено в направлении движения газа на основе водорода внутри герметичного контейнера.

22. Теплогенерирующее устройство по п. 20 или 21, в котором

герметичный контейнер имеет корпус контейнера, в котором размещена теплогенерирующая структура, и ребро, расположенное на наружной поверхности корпуса контейнера.

23. Теплогенерирующее устройство по п. 22, в котором

корпус имеет трубчатую форму и

ребро выполнено спиральным на наружной поверхности корпуса.

24. Теплогенерирующее устройство по п. 22 или 23, в котором

герметичный контейнер дополнительно включает теплопередающую опорную часть, размещенную внутри корпуса контейнера, которая является опорой для множества теплогенерирующих элементов и предназначена для передачи тепла, генерируемого множеством теплогенерирующих элементов, к корпусу контейнера.

25. Теплогенерирующее устройство по п. 22, в котором

корпус контейнера имеет плоскую пластинчатую форму и

ребро выполнено в форме множества гребней, выступающих из наружной поверхности корпуса.