Энергоустановка подводного применения Советский патент 1993 года по МПК H01M8/06 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как автономная энергоустановка подводного применения на основе водородно-кисло- родного электрохимического генератора.

Цель изобретения - улучшение условий эксплуатации и повышение КПД энергоустановки.

На чертеже схематично изображена предлагаемая энергоустановка.

Энергоустановка имеет водородно-кис- лородный ЭХГ 1. реактор 2, который фильтром 3 разделен на верхнюю камеру 4 со свободной насыпкой твердого реактива 5 и дозатором 6, соединенным с окружающей средой трубопроводом 7, а также нижнюю камеру 8, соединенную с окружающей водой трубопроводом 9 через обратный клапан 10. Накопитель газообразных примесей 11 соединен с ЭХГ трубопроводом 12, а с окружающей водой - трубопроводом 13, Уровень воды в трубопроводах колеблется между крайним верхним уровнем 14 и крайним нижним уровнем 15.

Для сохранения содержания инертных примесей о накопителях за все время работы установки D допустимых пределах объемы газовых полостей накопителей должны соответствовать требованию

F и т

.iJ:tработы должны иметь гидравлические со- протиоления, удовлетворяющие условию

-10 (в системе СИ)

1тр,

(2)

где К - коэффициент сопротивления;

Рокр - плотность окружающей среды (воды);

Ю 1тр - длина трубопровода.

Для равномерной минимальной концентрации продуваемого инертного газа в накопителях объемы внутренних трубопроводов накопителей должны составлять 40% от объемов самих накопителей. Нижний предел обусловлен тем, что при меньшем значении объема трубопровода конвекция газа малоэффективна, а верхний Г1редел обусловлен конструктивными сооб20 ражениями.

Для обеспечения эффективной работы реакторов внутренняя полость каждого реактора разделена на две части фильтром, образующим нижнюю камеру для сбора и

25 стока реакционной воды, сообщенную с окружающей водой магистралью с обратным клапаном, и верхнюю камеру с дозаторами воды, расположенными над фильтром, и со свободно насыпанным твердым реагентом

30 на поверхности фильтра.

Для поддержания перепадов да влений между рабочими газами и окружающей водой о допустимых пределах, значения рабочих объемов дозаторов должны

35 удовлетворять требованию

где VH -- объем накопителя;

- объемная доля примесей в реагенте;

N - мощность установки;

Тр - ресурс работы;

ь 5макс Ро

макс максимальная за ресурс доля примесей в реагенте;

РО - давление на уровне дозатора;

Vi - рбьем, занимаемый молем газа, при норм, условиях;

Р - давление газа при норм, условиях;

Т - температура газа при норм, условиях:

Т - рабочая температура газа;

Z - валентность;

F - число Фарадея;

и -- рабочее напряжение установки.

Энергоустановка оснащена вертикальными трубопроводами, соединяющими накопители и дозаторы с окружающей водой, расположенными ниже накопителей и до- .зэгорое. которые д.пя предотвращения вы- f lpnr,; гя ia г, ок|) ruomyto среду в процессе

Vo

Г

0

Т р vT

h VH 10%

0

(3)

-VnlO

(a системе СИ),

5 где ид - рабочий объем дозатора;

VH - объем накопителя;

И - длина магистрали, связывающей дозатор с окружающей водой;

рабочая температура газа;

Т - температура газа при норм, условиях;

давление газа при норм, условиях;

Vi - объем, занимаемый молем газа при норм.условиях;

/ очр - вязкость окружающей среды (во5

Энергоустановка подводного применения в режиме электрической нагрузки на ЭХГ м. следовательно, при непрерывном потреблении им роОочего газа работает по следующему циклу.

Перед начало работы газовые полости заполняют рабочими газами. В начальный момент цикла рабочий газ имеет минимальное давление Рмин в ЭХГ 1, в реакторе 2 и накопителе 11. чему соответствует крайний верхний уровень воды 14 в трубопроводах 7. 13. Вода из трубопровода 7 автоматически заливается в дозатор 6, из которого порция воды попадает на свободную насыпку твердого топлива 5, где происходит химиче- екая реакция. В результате этой реакции образуется определенная порция рабочего газа, которая поднимает давление в реакторе 2 до Рмакс и перемещает уровень воды в трубопроводе 7 до соответствующего этому давлению крайнего нижнего уровня 15. Открывается обратный клапан 10 и происходит слив реакционной жидкости в окружающую воду. Порция рабочего газа проходит через газовые камеры ЭХГ 1 и выносит из них с собой накопившиеся газовые примеси через трубопровод 12 в накопитель газовых примесей 11. где также достигается давление Рмакс- Уровень воды в трубопроводе 13 снижается от крайнего верхнего уровня 11 до крайнего нижнего уроаня 15.

В накопителе 11 газовые примеси перемешиваются с чистым рабочим газом и создается однородная газовая смесь. По достижении в магистрали 13 уровня 15 давление рабочего газа в накопителе 11 и реакторе 2 выравнивается и газ на электрохимическую реакцию в ЭХГ поступает уже только из реактора 2, а также из накопителя 13 через трубопровод 12. По мере срабатывания рабочего газа в ЭХГ его давления в реакторе 2 и накопителе 11 одновременно снижается до Рмии, а уровень воды в трубопроводе 7 и трубопроводе 13. соответственно, повышается до крайнего верхнего уровня 14. На этом цикл работы энергоустановки завершается и далее следует его непрерывное воспроизведение при включенном потребителе электроэнергии. Опускание и подъем воды в трубопроводе 13 способствует лучшему перемешиванию газа в накопителе.

Ниже приведен расчет энергоустановки.

Принятые обозначения:

Vy - объем накопителя, реактора и других газовых полостей:

макс максимальное объемное содержание примесей в объеме Vy;

РО - рабочее давление на уровне О (глубина Но):

VP - объем рабочего газа за ресурс при нормальных условиях:

$ - объемная доля примесей в рабочем газе;

h - пределы изменения уровня за цикл в равновесных точках:

fy - допустимое объемное содержание примесей в полости Vy:

Vn - объем примесей при рабочем давлении;

Vi 22,4 л - объем 1 моля при нормальных условиях:

М - число молей газа:

Мр - общее число молей газа, потребляемого за весь ресурс;

N - мощность:

тр - ресурс:

и - напряжение:

,8 А т - число Фарадея:

Z - число грамм - эквивалентов:

Ги - длительность цикла работы энергоустановки:

1тр -длина трубы:

Д/Ог - гидравлическое сопротивление :

Т - температура:

R - газовая постоянная.

Определение Vy.

Если макс максимальное содержание примесей за ресурс, Vn - объем примесей при рабочем давлении Ро, то

V/ Vn Vv (1)

где Vn

Vn

- параметр при нормальных условиях ( атм, ) и Vp (3)

Из уравнения Менделеева Мр -j-

Мр V (4) по эакону Фарадея Мр- 2 F уравнений (1-5) можно определить

v,.vi-N- p P -J

§макс Z F и Ро Т

(6)

Поскольку РО зависит от глубины, а макс может регулироваться в пределах 0 макс д. где fg - допустимая ДОЛЯ при- месей в газе, произведение в |макс Рд можно рассматривать как параметр, сохраняющий постоянное значение при изменении глубины при заданных значениях . N, Гр, и

тогда V (6) 2 F и Т в

Определение времени цикла работы Гц.

Если Мц - число молей рабочего газа, потребляемое за 1 цикл, то по закону Фара- дея время цикла определяется по формуле

ц

ДМц -Z F U N

(7)

Из уравнения Клайперона:

АМц

А PI Уц т

p -vr-T

(8)

где APi Pi-Po - изменение давления газа в рабочей полости при изменении уровня воды от Xi до О, то есть по длине трубы И. При изменении величины давления Па, длины, м

APi li Р 0,1 мПа (9)

... И Vy ДМц VT

10

(10)

Подставляя значение ДМц из уравнения (10) в (7) можно получить

И Vy т

у ю

(11)

Подставляя значения Vy из уравнения (6) в (11), можно рассчитать

Гг

И 10

РО

макс

(12)

М,-10

-Гр- -

из формулы (12) видно, что время цикла связано с конструктивным параметром энергоустановки И и может быть выбрано, исходя из требования получения оптимального значения И.

Определение гидравлического сопротивления ДРг.

В результате протекания реакции pea- гентов в реакторе, давление в трубе 7 мгновенно повышается от значения Ро до Pi за счет чего столб воды в трубе 7 движется вниз вдоль оси ОХ. Для предотвращения выброса газа из трубы, длина которой 1тр, необходимо обеспечить условие, чтобы уровень воды не уходил ниже Xi в период неустановившегося движения воды и при равновесии если нет потребления газа на реакцию, уровень должен устанавливаться

в точке Xi, соответствующей длине участка трубы И, Для оценки этого условия уравнение движения столба воды длиной 1тр (давление. Па, длина, м) равно

-1

тр

. dix

dt

pi S - Л РЗ X

10

xS-S- lO fHKxi-xJhP S

(13)

где РЖ - плотность воды;

S - сечение трубы;

Л Рг - гидравлическое сопротивление;

HI - глубина до координаты H|.

При ламинарном течении жидкости в трубе справедливо соотношение

X,

(14)

20

где К - Коэффициент сопротивления. Перепишем уравнение (13) в виде

5

гдеа

+e + . dt dt

К

(15)

;b

10

/Эж 1тр РЖ I

ТР

. (He-Xe) РЖ 1тр

Начальные условия:

при t-0. Х-0 и Х-0

Примечание. Хотя Хг1тр, в предварительных расчетах они не отождествляются.

Решение уравнения (15) с учетом начальных условий представляется в виде

Xi

а -1-А -2Х

-f-A

а+А

(16)

для

X е (-| -xi t- Xi) + Xi (18)

Для первого случая условием нахождения g в пределах трубы является Я 0, так как колебаний в этом случае нет и уровень опускается

не ниже Xi, при этом -К

4 Ю (19),

РЖ 1тр

Для второго случая имеются затухающие ко- лебания уровня около точки равновесия с координатой Xi. Условием нахождения уровня в пределах трубы является требование: чтобы максимальная амплитуда колебаний не превышала значения (lip-li). Тогда

XI

vV+Ж

expT-j

(20)

х(л-f 2 arctg-) 1тр - li

3

Условие (19) является более жестким чем (20). но и более простым для оценок. Учитывая, что некоторый запас необходим в связи с допущением о постоянной массе выталкиваемой жидкости, целесообразно пользоваться условием (19).

Определение размера дозатора.

Число молей воды ДМ, требуемое на реакцию для получения газообразных реагентов, равно числу молей рабочего газа, потребляемого за цикл, то есть

ДМц

Из формулы (8) рассчитывается

Д fVVizo А Ml

ДР1 Уу -Т

VT-T

Примеры расчетов. Обьем газовой полости Vy, Исходные данные:

3 10 : oz 10 : ч; УГ-22.4 л; К; ZH2-2. F-26.8 А- г; Р 0.1 МПа: U-0.9 В.

С учетом того, что Ро х X (Н+Ю).

0 Ро|ма.с |макс 10 (),

где д значения Vy для О2 и Н2. рассчитанные по формуле (6), сведены в таблицу 1. где дана зависимость объема газовых полостей Vy от наружного давления 6v концентрация примесей макс

g

10 15

20

5

0

5

Длительность цикла Гц.

В табл. 2 показаны значения Гц. рассчитанные по формуле (12) для значений Гр 10 ч, м. и (зависимость длительности рабочего цикла Гц от наружного давления 0).

Гидравлическое сопротивление и скорость воды в трубе при повышении давления.

Из условия (19) для кг/м и м находим -10 или ,4 10. Так как X « К W, где W - средняя гкорость воды в трубе после выделения газа в реакторе, то соотношение между ними видно из табл. 3, где дана зависимость скорости движения воды W от перепада давления ДРт.

Размеры дозатора.

По формуле (8) и из равенства Д Д Мц при массе одного моля воды 18 г можно найти массы единичных доз воды тн2О для случаев, рассмотренных в п. 5.1. Результаты расчетов сведены в табл. 4, где дана зависимость дозы воды тн2О от газовых объемов Vy.

Проблема погружения и всплытия.

При погружении давление в газовой полости будет расти, а при всплытии убывать. Для оценки этих эффектов необходимо рассчитывать при указанных условиях длительность работы (Гн) энергоустановки на газах высвобождаемых при всплытии. При этом число высвобождаемых молей Мн получается из формулы (10) с заменой li на ДН, а время работы - из формулы (5) с заменой Гр на Гн. а Мр на ДМн.

В результате

40 ДН Vy -Т -Z F и 10 Р V -Т N

(21)

Используя исходные данные, указанные в 5 (1), получим значения зависимости времени работы энергоустановки Гн от объемов газовых полостей Vy и глубины корпуса Н.

Как видно из приведенных примеров, конструктивные параметры энергоустановки и параметров рабочих процессов и рабочих газов имеют приемлемые значения для возможных глубин погружения от О до 6 10 м. Процессы легко регулируются и установка работоспособна для заданных усло- ВИЙ работы. В качестве газовых полостей могут быть использованы полости системы обеспечения плавучести энергоустановки.

Разработана и прошла испытания энергоустановка подводного применения, состоящая из электрохимического водороднокислородного генератора, реакторов получения газообразных рабочих газов, накопителей инертных примесей по каждому рабочему газу, соединенных с окружающей водой магистралями, дозаторов воды для получения рабочих газов из твердых реагентов в реакторах. Мощность энергоустановки в процессе испытаний изменялась в пределах 11.5 Вт до 50 Вт в течение 350 ч непрерывной работы.

В беспродувочном режиме без накопителей ресурс работы энергоустановки составил 35 ч. Характеристики топливных элементов в начале и в конце испытаний при работе с накопителями инертных примесей не изменялись. Это свидетельствует о достаточной интенсивности удаления инертных примесей из камер ТЭ ЭХГ, оптимальном подборе накопителей инертт ных примесей рабочих газов, стабильной подачи рабочих газов из газогенератора ЭУ.

В предлагаемой энергоустановке отсутствуют энергопотребляющие и динамические агрегаты. Это позволяет повысить КПД энергоустановки на 10-15%. Кроме того, обеспечение работы в течение всего ресурса в беспродувочном режиме экономит до 10% рабочие газы и соответственно на эту величину продлевается ресурс работы всей энергоустановки. Отсутствие динамических агрегатов и беспродувочный режим работы обеспечивают полную эксплуатационную бесшумность энергоустановки. Сообщение нижней камеры стока реакционной жидкости реактора с окружающей водой с

помощью трубопровода с обратным клапаном позволяет во время каждого цикла выводить реакционную жидкость из реактора и таким образом существенно улучшить массогабэритные характеристики реактора

и всей энергоустановки.

Таким образом, энергоустановка работает без энергопотребляющих динамических агрегатов, следовательно, без дополнительных расходов энергии на собственные нужды, а также без продувок в окружающую среду.

(56) Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы. М., Энергоиз- дат. 1982, с. 325.

Патент Великобритании Ns 970420, кл. Н 1 BF. 1964.

Таблица 1

30

Таблица 2

Таблица 3

Таблица 4

Формула изобретения

1. ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ, включающая водородно- кислородный электрохимический генератор, реакторы с твердыми реактивами и с дозаторами воды, являющиеся источниками газообразных реагентов, и накопители газообразных инертных примесей в контуре каждого рабочего газа, отличающаяся тем, что, с целью улучшения условий эксплуатации и повышения КПД, она снабжена вертикальными трубопроводами, соединяющими накопители и дозаторы с окружающей водой, выходы трубопроводов расположены ниже мест присоединения, гидравлическое сопротивление трубопроводов выбрано из условия К 4 10 , где К - гидравлическое сопротивление, кг/м с. причем внутренний обьем трубопровода, соединяющего накопитель с

Составитель К.Вейсбейн Техред М.Моргентал

Корректор

ТиражПодписное

НПО Поиск Роспатента 113035. Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Таблица 5

окружающей водой, составляет 10-40% от

р. объема накопителя, объемы накопителей взяты из условия VH г 1,4 N. где VH - обьем накопителя, л;М - номинальная мощность энергоустановки, Вт, а объемы дозаторов выбраны из требования Vg 3 N, где

10 Vfl-объем дозатора, л.

2, Энергоустановка по п.1, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности работы реакторов, внутренняя полость каждого реактора разделена на

15 две части фильтром, образующим нижнюю камеру для сбора и стока отработанных жидких продуктов реакции, сообщенную с окружающей водой магистралью с обратным клапаном, и верхнюю камеру с доза20 торами воды, расположенными над фильтром, и со свободно насыпанным на поверхности фильтра твердым реактивом.

Корректор Л.Филь

Изобретение относится к облааи электротехники. Цепь изобретения - улучшение условий эксплуатации и повышения КПД Энергоуаановка содержит водородно-кислородный электрохимический генератор 1, реакторы с твердыми реагентами 16 и с дозаторами воды 6. являющимися источниками газообразных реагентов, и накопители 11 газообразных инертных примесей в контуре каждого рабочего газа. Накопители и дозаторы соединены трубопроводами 13 и 12 с окружающей средой, причем выходы трубопроводов расположены ниже мест их присоединения Трубопроводы имеют гид равпическое сопротивление К кг/м «с выбранное из условия 10 , что предотвращает выбор газа в окружающую феду. Внутренние объемы тру бопроводов 13 составляют 10 - 40% от соответствующего накопителя. Объемы накопите, выбраны из условия V s 1,4N. где N - миадность энергоустановки. Вт. с5бъемы дозаторов взпты из требования V 3« 10 . Такая энергоустановка работает без выброса газов в окружающую среду с саморег т1ируемой подачей воды в дозатор 1 заф-лы. 1 ил, 5 табп.