Результат интеллектуальной деятельности: Генератор водорода

Область техники

Изобретение относится к областям энергетики и экологии, использующим воду в качестве экологически безвредного топлива для производства тепла и электричества.

Уровень техники

Известны генераторы водорода /Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества, из-во “Наукова думка”, 1980; SU 78259, 1948; SU 1802863, 1993; SU 535364, 1976; RU 2253606, 2005/, основанные на использовании экзотермической реакции (1)

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

алюминия с водой в присутствии катализатора, разрушающего оксидную пленку алюминия и обеспечивающего выделение тепла и водорода.

Наиболее близким по назначению и технической сущности и назначению к заявляемому изобретению относится генератор водорода /RU 2253606, 2005/, содержащий последовательно соединенные трубопроводами водяной насос, реактор и ресивер воды и водорода. Реактор выполнен в виде пластинчатого теплообменника. Пластины теплообменника выполнены из сплава алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой.

Такая конструкция генератора водорода обеспечивает непрерывный процесс генерации водорода за счет циркуляции воды через реактор, а количество генерируемого водорода – за счет скорости её циркуляции.

Проблемой известного генератора водорода /RU 2253606/ является недостаточное время его работы, связанное с перегревом катализатора за счет собственного тепла экзотермической реакции (1), истощением во времени химических свойств катализатора без его периодической регенерации или замены и прекращением производства водорода.

Задачей изобретения является решение проблемы увеличения времени работы генератора /RU 2253606/, а техническим результатом, достигаемым за счет увеличения времени его работы, – повышение объема производства водорода.

Сущность изобретения

Решение поставленной задачи и достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что генератор водорода содержит последовательно соединенные трубопроводами водяной насос, реактор и ресивер воды и водорода. При этом реактор выполнен в виде пластинчатого теплообменника, пластины которого выполнены из сплава алюминия сплав алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой.

Согласно изобретению, основными отличиями генератора водорода относительно /RU 2253606/ являются:

- Дополнительное введение устройства подогрева пластинчатого теплообменника.

- Выполнение устройства подогрева в виде газовой камеры сжигания водорода.

- Установка реактора в полости камеры сжигания над газовой горелкой.

- Соединение газовой горелки с водородным выходом ресивера через дозатор водорода.

- Введение цифрового блока управления с соответствующей запорной арматурой для производства водорода.

Введение устройства подогрева пластинчатого теплообменника, установка в нем реактора над газовой горелкой камеры сжигания, соединение газовой горелки с водородным выходом ресивера и введение цифрового блока управления с соответствующей запорной арматурой для производства водорода позволяют перед окончанием экзотермической реакции (1) перевести генератор на использование части накопленного в ресивере водорода для дополнительного подогрева паров воды в реакторе и перевести его в режим эндотермической реакции преобразования молекул воды в газ Брауна, содержащего горючую смесь молекул кислорода и водорода с последующим выделением в ресивере из газа Брауна чистого водорода.

Сущность изобретения поясняется функциональной схемой генератора водорода, представленной на фигуре.

На фигуре позициями обозначены:

1 - генератор водорода;

2 - водяной насос;

3 - реактор (преобразователь воды в горючее топливо);

4 – ресивер (накопитель воды и водорода – водяной затвор);

5 - пластины реактора, химически активные к воде;

6 - устройство подогрева пластинчатого теплообменника (газовая камера сжигания водорода);

7 - газовая горелка;

8 – дозатор водорода;

9 – управляемая колосниковая решетка;

10 – запальная свеча (розжига топливной смеси «водород-воздух»);

11 - – дозатор воды;

12 – грязевой фильтр (грязевик);

13 – обратный клапан;

14 – клапан сброса шлама;

15 – клапан вывода водорода;

16 – клапан подачи воды в ресивер 4;

17 – муфта подключения внешнего источника воды;

18 - муфта подключения канализационной трубы;

19 - муфта подключения потребителя водорода;

20 – блок управления генерацией водорода;

21- датчик пламени горелки 7;

22 - датчик уровня воды в ресивере 4;

Раскрытие сущности изобретения.

Согласно представленной функциональной схеме генератор 1 водорода содержит последовательно соединенные трубопроводами водяной насос 2, реактор 3, ресивер 4 (накопитель воды и водорода), а также устройство 6 подогрева реактора 3. Реактор 3 выполнен в виде пластинчатого теплообменника. Пластины 5 теплообменника 3 выполнены из сплава алюминия и добавки, разрушающей окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой. Добавка, разрушающая окисную пленку алюминия при взаимодействии с водой, выполнена из обезвоженного гидроксида щелочного металла или из сплава галлия, индия и олова. Водородный выход ректора 3 соединен с газовым входом ресивера 4. Ресивер 4 выполнен в виде накопителя водорода и воды и содержит герметичную емкость с водой, выполняющей функцию водяного затвора для кислорода. В полости ресивера 4 установлен датчик 22 уровня воды, соединенный по сигнальному выходу с соответствующим входом блока 20 управления генерацией водорода. Водяной вход ресивера 4 соединен трубопроводом через вентиль 16 с муфтой 17 подключения внешнего источника воды. Водородный выход ресивера 4 через клапан 15 вывода водорода соединен с муфтой 19 подключения потребителя водорода и через дозатор 8 водорода - с питающим входом газовой горелки 7 устройства 6 подогрева пластинчатого теплообменника. Выход ресивера 4 по циркулирующей очищенной воде соединен с входом водяного насоса 2 через управляемый дозатор 11 воды и грязевой фильтр 12. Второй выход фильтра 12 через обратный клапан 13 и клапан 14 сброса шлама соединен с муфтой 18 подключения канализационной трубы (на фигуре не показана). Устройство 6 подогрева пластинчатого теплообменника выполнено в виде газовой камеры сжигания водорода. В нижней части камеры над управляемой колосниковой решеткой 9 забора воздуха установлена газовая горелка 7 сжигания водорода. Для исключения оплавления форсунок горелки 7 высокотемпературным водородным факелом, последняя выполнена из вольфрама или тугоплавкого керамического материала типа Вайфанг с соплами из кремниевого карбида и керамической оксидацией их внутренней поверхности. В верхней части камеры 6 над горелкой 7 установлен реактор 3 - преобразователь воды в горючее газовое топливо. Внутри камеры 6 с противоположных боковых сторон установлены датчик 21 пламени горелки 7 и свеча 10 розжига топливной смеси «воздух+водород». Датчик 21 пламени выполнен типа Airtronic с возможностью контроля температуры, пламени и перегрева в газовой камере 8 сжигания топлива. Сигнальный выход датчика 21 пламени соединен с соответствующим сигнальным входом блока 6 управления. Свеча 10 розжига выполнена типа Vfster Gas Seul (арт. 2020337) с автоматикой "630 EUROSiT" безопасности розжига. Управляющие входы свечи 10, насоса 2, колосниковой решетки 9, дозаторов 8 и 11, клапанов 14, 15, 16 соединены с соответствующими управляющими выходами блока 20 управления. Дозаторы 8 и 11, а также клапаны 14, 15, 16 запорной арматуры выполнены в виде управляемых электромагнитных вентилей.

Работа генератора 1 водорода, при использовании катализатора с комнатной температурой начала экзотермической реакции (1), состоит в следующем.

В исходном состоянии все клапаны генератора 1 водорода закрыты, в блок 20 введена программа управления производством водорода.

Для производства водорода на блоке 20 управления нажимают кнопку «Пуск» (на фигуре не показано). По этой команде блок 20 управления в соответствии с заданной программой управления открывает вентиль 16 подачи воды с начальной температурой t_o, достаточной для инициирования экзотермической реакции (1) в реакторе 3. Через открытый клапан 16 вода через муфту 17 поступает в полость ресивера 4, образуя водяной затвор для газов, отличных от водорода. При достижении водой высоты расположения датчика 22 уровня, расположенного выше уровня патрубка ввода водорода в ресивер 4, датчик 22 срабатывает и выдает сигнал на блок 20 управления для закрытия клапана 16 подачи воды в ресивер 4. После закрытия клапана 16 блок 20 управления открывает клапан 11 дозирования воды и включает насос 2. Под действием втягивающей силы насоса 2 вода из ресивера 4 проходит открытый клапан 11, фильтр 12 и поступает на вход насоса 2. Далее вода под давлением насоса 3 поступает в реактор 3. В реакторе 3 вода проходит между химически активными к воде пластинами 5. В результате химического взаимодействия воды с материалом пластин 5 возникает экзотермическая реакция (1) с выделением тепла и водорода. Водород с выхода реактора 3 свободно проходит водяной затвор и накапливается в верхней части ресивера 4. Одновременно под действием тепла, выделяющегося при экзотермической реакции (1), непрореагировавшая часть воды в реакторе 3 превращается в пар, ионизируется и распадается на ионы водорода и кислорода, образуя газ Брауна (смесь газов водорода и кислорода). Газ Брауна, как и синтезированный реакцией (2) водород, поступает в водяной затвор ресивера 4. Водород газа Брауна свободно проходит водяной затвор, а кислород поглощается водой водяного затвора. При дальнейшем повышении температуры в реакторе 3 происходит истощение катализационного материала пластин 5 реактора 3. Температура экзотермической реакции (1) снижается и выход водорода и газа Брауна из реактора 3 в ресивер 4 (накопитель водорода) уменьшается. Через заданное в памяти блока 20 управления время, соответствующее заранее известному времени процентного снижения химических активных свойств пластин 5 и удельному выходу водорода, полученных при опытных испытаниях реактора 3, блок 20 управления открывает дозатор 8 для дозированной подачи водорода в горелку 7 газовой камеры 6 сжигания водорода. Одновременно блок 20 управления включает свечу 10 поджига в камере 6 сжигания водородного топлива.

При этом в камере 6 инициируется экзотермическая экологически чистая реакция горения водорода с выделением тепла и паров воды, безвредных для окружающей среды

2Н2 + О2 → 2Н2О + 137 ккал/моль. (2)

Под действием тепла, выделенного в процессе экзотермической реакции (2) горения водорода, происходит поддержание тепловой ионизация молекул воды в реакторе 3 и генерация газа Брауна, с дальнейшим выделением из него водорода в ресивере 4.

Далее производство водорода из воды происходит преимущественно за счет тепловой диссоциации воды в реакторе 3 под действием тепла горящего водорода и пониженной температуре экзотермической реакции (1). Температура горящего водорода в камере 6 контролируется датчиком 21 пламени по яркости и температуре факела и передается в блок 20 управления. Блок 20 управления с помощью дозатора 11 и колосниковой решетки 7 управляет качеством смеси «водород + кислород воздуха» поддерживая стабильную температуру горения водородной смеси и стабильный выход водорода за счет обратной связи через датчик 21 пламени. При накоплении в ресивере 4 водорода достаточного давления блок 20 управления открывает клапан 15 и выдает водород потребителю, например, бойлеру, подключённому к муфте 19 генератора 1 водорода.

Для остановки генератора 1 водорода на профилактическое обслуживания производится безопасная перезагрузка и приведение генератора 1 в исходное состояние. Для этого блоком 20 управления закрывается дозатор 8 и прекращается подачи водорода в газовую горелку 7. Водород из ресивера 4 скачивается через открытый клапан 15 в отдельную диэлектрическую емкость, подключаемую к муфте 19. Далее закрывается клапан 15 вывода водорода. Открывается клапан 14 сброса воды и шлама в канализационную трубу, подключенную к муфте 18. Далее включается напорный насос 2 и остатки воды из реактора 3 и ресивера 4, а также шлам из фильтра 12 выдавливается в канализационную трубу, подключенную к муфте 18 генератора 1 водорода. После слива воды и шлама производят замену реактора 3 или регенерацию (восстановление химических его пластин) путем продувки реактора 3 соответствующим для регенерации газом.

Промышленная применимость

Изобретение разработано на уровне технического проекта и физического моделирования процесса получения водорода из воды. Физическое моделирование показало возможность существенно увеличить время работы генератора водорода по сравнению с генератором /RU 2253606/, увеличить объём производства, синтезированного из воды водородного топлива. Синтезированное из воды водородное топливо может использоваться в качестве экологически безвредного топлива для производства тепла и электричества в условиях дефицита углеводородного топлива. Например, в районах Крайнего Севера и сельской местности, удаленных от нефтегазовых магистралей.