ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОЙ ЛОДКИ

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) дизель-электрических подводных лодок (ПЛ).

Известна ЭУ ПЛ, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и блоки хранения криогенных водорода и кислорода. (А.А. Постнов "Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами". Санкт-Петербург.: Судостроение, 1998, 2, стр.28).

Недостатками аналога являются высокая стоимость и значительные потери при перевозке на большие расстояния криогенного водорода, многократный перерасход водорода при заправке криогенного блока хранения. В процессе длительного хранения имеют место значительные потери криогенного водорода и возникает необходимость непроизводительного удаления газообразного водорода.

Ограниченное время хранения криогенного водорода снижает боевую готовность ПЛ. Кроме того, блок хранения криогенного водорода является пожаровзрывоопасным объектом.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой энергетической установке является ЭУ ПЛ, входящая в ЭЭС и содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, блок хранения криогенного кислорода, устройства хранения полного запаса водорода в интерметаллидных соединениях (ИМС) в виде гидрида железа и титана, способные поглощать или выделять газообразный водород. (А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин "Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран". Санкт-Петербург, Судостроение, 1994 г, с.236).

Недостатками прототипа являются большие масса и стоимость ИМС. Процессы поглощения и выделения водорода идут соответственно с выделением или поглощением тепла при определенных температуре и давлении. Большая масса ИМС прототипа обуславливает инерционность процессов нагревания и охлаждения в ЭУ, тепловыделения ЭХГ ограничены и не обеспечивают в режиме десорбции выделения водорода, опережающего работу ЭХГ.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение боевой готовности ПЛ путем использования топливных компонентов, допускающих длительное хранение без потерь, с одновременным обеспечением маневренности ЭУ. Такую возможность предоставляет устройство для получения водорода на борту ПЛ гидролизным способом с использованием ограниченных количеств ИМС для хранения только оперативного запаса водорода.

Гидролизный способ получения водорода реализуется при помощи ряда реакций взаимодействия легких металлов (Li, Mg, Al) с водой и щелочами (LiOH, NaOH, КОН). Критериями выбора реакции являются стоимость, массовые и объемные характеристики, чистота и количество выделяющегося водорода, растворимость и нетоксичность продуктов реакции.

Совокупности указанных требований удовлетворяет, например, реакция алюминия с раствором едкого натра с образованием растворимого и нетоксичного алюмината натрия. Реакция происходит с выделением значительного количества тепла. Повышение температуры позволяет производить водород при высокой концентрации раствора алюмината натрия и уменьшать, тем самым, объемы запасаемых реагентов и получаемых продуктов реакции.

Выделяющийся в химическом реакторе газообразный водород необходимо отделять от жидких продуктов реакции и очищать от загрязнения сопутствующими продуктами реакции.

Водород, выделяющийся в химическом реакторе, можно накапливать и очищать до кондиции необходимой ЭХГ с помощью количеств ИМС в сотни раз меньших, по сравнению с прототипом. Кроме того, тепловыделения в химическом реакторе создают дополнительный источник тепла, необходимый для осуществления режима десорбции при включении или увеличении мощности ЭХГ.

В целях стабилизации массы ПЛ и возможности дальнейшей утилизации жидкие продукты реакции должны собираться в цистерне. Остаточно выделяющийся из них водород, желательно не дожигать, расходуя запас кислорода, а производительно использовать в ЭХГ. Реакционная вода высокой чистоты, образующаяся при работе ЭХГ, может повторно использоваться в реакции гидролиза. Желательно также производительно использовать водород, выделяющийся при продувке и из реакционной воды ЭХГ.

Решение поставленной задачи с использованием устройства для получения водорода на борту ПЛ гидролизным способом достигается тем, что ЭУ ПЛ, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, соединенные с ним интерметаллидные накопители, блок хранения криогенного кислорода и цистерну с дистиллированной водой, снабжена бункером с измельченным алюминием и цистерной с раствором едкого натра. Бункер с алюминием, цистерны с раствором едкого натра и дистиллированной водой связаны с дозатором, соединенным с несколькими химическими реакторами получения водорода. Каждый химический реактор связан по газовой и жидкостной фазам со своим конденсатором-сепаратором. Все химические реакторы соединены с цистерной сбора жидких продуктов реакции. Конденсаторы-сепараторы связаны со своими фильтрами-осушителями водорода, присоединенными к своим интерметаллидным накопителям водорода. Цистерны сбора жидких продуктов реакции и дистиллированной воды совместно с ЭХГ через водородный компрессор связаны с фильтрами-осушителями водорода.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема ЭУ подводной лодки.

Энергетическая установка подводной лодки содержит бункер с измельченным алюминием 1, цистерну с раствором едкого натра 2 и цистерну с дистиллированной водой 3, связанные с дозатором 4, который соединен с несколькими химическими реакторами 5 (на схеме ЭУ показаны только два). Каждый химический реактор 5 связан по газовой и жидкостной фазам со своим конденсатором-сепаратором 6, связанным через фильтр-осушитель водорода 7 с интерметаллидным накопителем водорода 8. Все химические реакторы 5 соединены с цистерной сбора жидких продуктов реакции 9. Интерметаллидные накопители водорода 8 присоединены к электрохимическому генератору 10. Блок хранения криогенного кислорода 11 также подсоединен к ЭХГ 10, который связан с цистерной дистиллированной воды 3 и подключен к электроэнергетической системе 12. Цистерна с дистиллированной водой 3, цистерна сбора продуктов реакции 9 и ЭХГ 10 связаны с водородным компрессором 13, который связан с фильтрами-осушителями водорода 7.

Работа осуществляется следующим образом.

Освобождается цистерна 9 от продуктов реакции. Заправляются: бункер 1 - измельченным алюминием, цистерна 2 - раствором едкого натра, цистерна 3 - дистиллированной водой и блок хранения 11 - криогенным кислородом. Энергетическая установка герметизируется и во избежание образования взрывоопасных смесей газов из установки корабельным компрессором воздуха высокого давления удаляется воздух. С помощью дозатора 4 загружается мерными порциями алюминия, едкого натра и дистиллированной воды первый химический реактор 5. Выделившийся в реакторе при повышенных давлении и температуре водород с захваченными частицами жидкости поступает в конденсатор-сепаратор 6. Отделившаяся жидкая фаза возвращается в химический реактор 5. Водород из конденсатора-сепаратора 6 поступает через фильтр-осушитель 7 в интерметаллидный накопитель 8, который работает за счет охлаждения в режиме сорбции до практического окончания реакции, после чего химический реактор 5 осушается. Жидкая фаза, насыщенная водородом, сбрасывается в цистерну сбора продуктов реакции 9. Аналогично загружается реагентами с помощью дозатора 4 второй химический реактор 5 и начинает заполняться водородом второй интерметаллидный накопитель 8. Перед началом работы ЭХГ первый интерметаллидный накопитель водорода 8 подводом тепла переводится в режим десорбции и водород начинает поступать в ЭХГ 10. Из криогенного блока хранения 11 кислород также подается в ЭХГ, электроэнергия из которого выдается в электроэнергетическую систему 12. Реакционная вода из ЭХГ поступает в цистерну дистиллированной воды 3. После исчерпания запаса водорода в первом интерметаллидном накопителе 8 к ЭХГ подключается второй накопитель. Дальнейшая работа ЭХГ связана с цикличным чередованием работы одних химических реакторов с соответствующими интерметаллидными накопителями в режиме сорбции и других интерметаллидных накопителей водорода в режиме десорбции. Продувочный водород из ЭХГ и остаточный водород из цистерн дистиллированной воды 3 и сбора продуктов реакции 9 водородным компрессором 13 через фильтр-осушитель 7 возвращается в интерметаллидный накопитель 8, работающий в режиме сорбции.

Таким образом, предлагаемая энергетическая установка позволяет получать водород из сравнительно дешевых пожаровзрывобезопасных топливных компонентов, допускающих длительное хранение без потерь, пополнять запас дистиллированной воды реакционной водой из ЭХГ и производительно использовать водород, выделяющийся при продувке ЭХГ, а также в цистернах сбора продуктов реакции и дистиллированной воды. Цикличное использование нескольких интерметаллидных накопителей водорода обеспечивает хранение и очистку оперативного запаса водорода при небольшой, по сравнению с необходимой для хранения полного запаса водорода, массе ИМС и исключает надобность в регулировании производительности химических реакторов в зависимости от величины мощности развиваемой ЭХГ.