Энергоустановка подводного применения

 

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.

(в) ЯЗ (и) 1344170 А1 (51) 5 Н01М Об

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4020154/07 (22) 12.12.85 (46) 30.11.93 Бюп. Йа 43-44 (71) Всесоюзный научно-исследовательский,проектно-конструкторский и технологический институт источников тока (72) Журавлев С.И:, Дмитриев ГА.; Казенкин О.Г.

Леоничев Л.И.; Пичугин В.В.; Шпеханов В.Г.; Сухов

Г.М. Постаногов В.П. (54) ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО ПРИМЕНЕНИЯ (57) Изобретение относится к области электротехники. Цепь изобретения — улучшение условий эксплуатации и повышения КПД Энергоустановка содержит водородно-кислородный эпектрохимический генератор 1, реакторы с твердыми реагентами

16 и с дозаторами воды 6, являкхцимися 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 гидг равлическое сопротивление К кг/м ° c, выбранное

4 из условия К>4. 10, что предотвращает выбор газа в окружающую среду. Внутренние объемы трубопроводов 13 составляют 10 — 4096 от объел а соответствующего накопителя. Объемы накопите, выбраны из условия Ч 1,4N, где и — м,юность энергоустановки. Вт. Объемы дозаторов взяты из требования Ч 3 10 . Такая знергоустановка л работает без выброса газов в окружающую среду с саморегупируемой подачей воды в дозатор. 1 з.пф-лы, 1 ил, 5 табл.

1344170

30 (1)

35 (3) х " Р - P . 3, . V 104

/ окр (в системе СИ), Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано как автономная энергоустановка подводного применения на основе водородно-кислородного электрохимического генератора. 5

Цель изобретения — улучшение условий эксплуатации и повышение КПД энергоустановки.

На чертеже схематично изображена предлагаемая энергоустановка. 10

Э нергоуста новка имеет водородно-кислородный ЭХГ 1, реактор 2, который фильтром 3 разделен на верхнюю камеру 4 со свободной насыпкой твердого реактива 5 и дозатором 6, соединенным с окружающей "5 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 20 окружающей водой — трубопроводом 13.

Уровень воды в трубопроводах колеблется между крайним верхним уровнем 14 и крайним нижним уровнем 15.

Для сохранения содержания инертных примесей в накопителях за все время работы установки в допустимых пределах обьемы газовых полостей накопителей должны соответствовать требованию

V> Р* т . т Z Г U Т где Чи — обьем накопителя;

g — объемная доля примесей в реагенте;

N — мощность установки;

40 тр — ресурс работы;

0-(». «, Р „, — максимальная за ресурс доля примесей в реагенте;

Ро — давление на уровне дозатора;

V>* — обьем, занимаемый молем газа, при норм. условиях;

Р— давление газа при норм. условиях;

Т вЂ” температура газа при норм. условиях; 50

Т вЂ” рабочая температура газа;

Z — валентность;

F — число Фарадея;

U — рабочее напряжение установки.

Энергоустановка оснащена вертикаль- 55 ными трубопроводами, соединяющими накопители l1 дозаторы с окружающей водой, рагполаженными ниже накопителей и доваторов. ко-грые для предотвращения выГ1$1(3f. гл-«а г, Y()ó, к>гну о среду в процессе работы должны иметь гидравлические сопротивления, удовлетворяющие условию

К >4 .10 Роер 1тр, (2) (в системе СИ) где К вЂ” коэффициент сопротивления; р,кр — плотность окру>кающей среды (воды);

4р — длина трубопровода, Для равномерной минимальной концентрации продуваемого инертного газа в накопителях обьемы внутренних трубопроводов накопителей должны составлять 1040% от объемов самих накопителей.

Нижний предел обусловлен тем, что при меньшем значении обьема трубопровода конвекция газа мало эффективна, а верхний предел обусловлен конструктивными соображениями.

Для обеспечения эффективной работы реакторов внутренняя полость каждого реактора разделена на две части фильтром, образующим нижнюю камеру для сбора и стока реакционной воды, сообщенную с окружа ощей водой магистралью с обратным клапаном, и верхнюю камеру с дозаторами воды, расположенными над фильтром, и со сво6одно насыпанным твердым реагентом на поверхности фильтра.

Для поддержания перепадов давлений между рабочими газами и окружающей водой в допустимых пределах, значения рабачих объемов дозаторов должны удовлетворять требованию

«с

Vg5 =.- — 11 VH 10 х

Т.Р Vi где Чл — рабочий объем дозатора, V — обьем накопителя;

I> — длина магистрали, связывающей дозатор с окружающей водой;

Т вЂ” рабочая температура газа;

T — температура газа при норм. условиях;

Р— давление газа при норм. условиях;

Ч вЂ” объем, занимаемый молем газа при норм. условиях; р<„р — вязкость окружающей среды (воды).

Энергоустановка подводного применения в режиме электрической нагрузки на

ЭХГ и, следовательно, при непрерывном потреблении им рабочего газа работает по следу ощему циклу.

1344170

Перед начало работы газовые полости заполняют рабочими газами. В начальный момент цикла рабочий гаэ 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 химическая 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 t u выносит из них с собой накопившиеся газовые примеси через трубопровод 12 в накопитель газовых примесей 11, где также

ДОСтИГаЕтСЯ ДаВЛЕНИЕ Рмакс. YPOBeHb ВОДЫ В трубопроводе 13 снижается от крайнего верхнего уровня 11 до крайнего нижнего уровня 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 PI4HHi 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:

Чу — объем накопителя. реактора и других газовых полостей: макс — максимальное объемное содержание примесей в объеме Vy, P — рабочее давление на уровне нОн (глубина Н );

Чр — объем рабочего газа эа ресурс при нормальных условиях; — объемная доля примесей в рабочем газе;

Ii — пределы изменения уровня за цикл в равновесных точках;

5 (y — допустимое объемное содержание примесей в полости V>,.

V> — обьем примесей при рабочем давлении:

Vt =22,4 л — объем 1 моля при нормаль10 ных условиях;

M — число молей газа:

Mp — общее число молей газа, потребляемого эа весь ресурс; и — мощность;

15 тр — ресурс;

U — напряжение;

F-26,8 А r — число Фарадея, 2 — число грамм — эквивалентов; ти — длительность цикла работы энерго20 установки;

1уя — длина трубы;

Лр — гидравлическое сопротивление;

Т вЂ” температура;

R — газовая постоянная.

Определение Чу, Если макс максимальное содержание примесей за ресурс, V — объем примесей при рабочем давлеНии Ро, то

Ьмакс где V о-,, Vî

35 Ро Т вЂ” параметр при нормальных условиях (P-1 атм, Т-25 С) и Чо $ Vp(3)

Из уравнения Менделеева Ч - аар—

R Т

40 е

Мр V> (4) по закону Фарадея MðN y

U (5) иа уРавнений (1-5) можно определить

V1 N t P Т

Ч„=»вЂ” макс 2.F U.p

50 Поскольку Ро зависит от глубины, а фмакс Можвт РЕГУЛИРОВатЬСЯ В ПРЕДЕЛаХ О( макс «(Ц, где (д — допустимая доля примесей в газе, произведение д=(макс Pg можно рассматривать как параметр, сохра55 няющий постоянное значение при изменении глубины при заданных значениях ф, N, тя, 0

2 F U.Т д

1344170

Z F U тц— (7) (13) P Ч1 Т (8) (12) (16) 2 Л вЂ” Л arctg — )+ Xt а (17) для Л =О

Определение времени цикла работы тц, Если Мц — число молей рабочего газа, потребляемое за 1 цикл, то по закону Фарадея время цикла определяется по формуле

Из уравнения Клайперона: где hPt=Ðt-Ро — изменение давления газа в рабочей полости при изменении уровня воды от Х1 до О, то есть по длине трубы I1.

При изменении величины давления Па, длины,м

hP) = l> . 104 и Р =0,1 мца (9) или ЛМц= „. 10 (10)

V> Т. 4

P Vi

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

- г "гг " F u.104 (11)

Р VtТ

Подставляя значения Чу из уравнения (6) в (11), можно рассчитать из формулы (12) видно, что время цикла связано с конструктивным параметром энергоустановки I> и может быть выбрано, исходя из требования получения оптимального значения I>.

Определение гидравлического сопротивления hPr

В результате протекания реакции реагентов в реакторе, давление в трубе 7 мгновенно повышается от значения Ро до Pt за счет чего столб воды в трубе 7 движется вниз вдоль оси ОХ. Для предотвращения выброса газа из трубы, длина которой I», необходимо обеспечить условие, чтобы уровень воды не уходил ниже Х1 в период неустаноеившегося движения воды и при равновесии если нет потребления газа на реакцию, уровг . ь должен устанавливаться в точке Х1 соответствующей длине участка трубы Ii, Для оценки этого условия уравнение движения столба воды длиной 1тр (давление, Па, длина, м) равно

5 р .1гр S . =pt S — ЛРг х

4 х»

0 x S — S 10 (Нi-(х(-x))-P S где рж — плотность воды;

S — сечение трубы;

h Pr — гидравлическое сопротивление;

Hi — глубина до координаты HI.

При ламинарном течении жидкости в трубе справедливо соотношение

ЬРг-К Х, 20 где К вЂ” коэффициент сопротивления.

Перепишем уравнение (13) в виде

d x dx

2 + а — + Ь х = f (15) 104 где а=; Ь—

Pw 1тр Pe I»

Начальные условия:

35 приt OX OuX 0

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

40 Решение уравнения (15) с учетом начальных условий представляется в виде для Л-а -4Ь>0

a +il

45 Х=Х1 q + а+Л в+Л. а-Л

+Х12,-.(- е +Х1

50 для 4b-а >О,/, г+ гг

Х 2"

x=xt . e 2 . sin — Л(т2

13441 Ю

10 go =ЛМц — at

X =e (— — x> т-Xi)+Х1 (18) Для первого случая условием нахождения в пределах трубы является А >О, так как коле2 5 баний в этом случае нет и уровень опускается

Кг не ниже Х1, при этом >4 10 (19). р 1р

Для второго случая имеются затухающие ко- 10 лебания уровня около точки равновесия с координатой Х1. Условием нахождения уровня в пределах трубы является требование: чтобы максимальная амплитуда колебаний не превышала значения (I>p — lt), Тогда 15

Х1 ехр (— — -г х

Д (20)

20 х (л + 2 arctg — ) 1 < !гр — I>

8Д а

Условие (19) является более жестким чем (20). но и более простым для оценок, Учитывая, что некоторый запас необходим в 25 связи с допущением о постоянной массе выталкиваемой жидкости, целесообразно пользоваться условием (19).

Определение размера дозатора.

Число молей воды hM. требуемое на 30 реакцию для получения газообразных реагентов, равно числу молей рабочего газа, потребляемого за цикл, то есть

Из формулы (8) рассчитывается

М, 40 р*. V 1

Примеры расчетов.

Объем газовой полости Ч„, Исходные данные: й-50 Вт;ф- = 3 10;(О -1О; тр-10 ч; Vt -22,4 л; Т=Т -298 К; ZHg-2, Zo =4;

F-26,8 А r; P =0.1 Mfla; U"0.9 В.

Р «104H+P=104 х (H+10).

Э=Ро (макс макс 10 (H+10). где 0< макс (g значения Vy для 02 и г12, рассчитанные по формуле (6), сведены в таблицу 1. где дана зависимость обьема газовых полостей V> от наружного давления 0 и концентрация примесей 1ма с

Длительность цикла z.„, В табл. 2 показаны значения гц, рассчитанные по формуле (12) для значений тр=10 ч, l>=3 м. он =10 и (о2=3 10 (зависимость длительности рабочего цикла tu от наружного давления ф

Гидравлическое сопротивление и скорость воды в трубе при повышении давления.

Из условия (19)уля РЖ=10 кгlм и ITð=5 м находим К >2 .10 или К>1,4 10 . Так как

hP,=-К Х = К W, где W — средняя скорость воды в трубе после выделения газа в реакторе, то соотношение между ними видно иэ табл. 3, где дана зависимость скорости движения воды W от перепада давления АРт, Размеры дозатора.

По формуле (8) и иэ равенства

Л M zo = Л Мц при массе одного моля воды

18 г можно найти массы единичных доэ воды

m <2p для случаев, рассмотренных в и. 5,1.

Результаты расчетов сведены в табл. 4, где дана зависимость дозы воды mti o от газовых обьемов Vy, Проблема погружения и всплытия.

При погружении давление в газовой полости будет расти, а при всплытии убывать.

Для оценки этих эффектов необходимо рассчитывать при укаэанных условиях длительность работы (r ) энергоустановки на газах высвобождаемых при всплытии, При этом число высвобождаемых молей Мн получается из формулы (10) с заменой It Hà hH. a время работы — иэ формулы (5) с заменой тр на тн, à Мр на ЛМн.

В результате т — 21

Р Ч1 Т N

Используя исходные данные, указанные в 5 (1), получим значения зависимости времени работы энергоустановки г от объемов газовых полостей Чу 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 0 до 6 10 м, Процессы легко регулируются и установка работоспособна для заданных условий работы. В качестве газовых полостей могут быть использованы полости системы обеспечения плавучести энергоустановки.

Разработана и прошла испытания энергоустановка подводного применения, состоящая из электрохимического водородно1344170

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

ЬР,Па 5.10

W, м/с 3,6 10

5 10

10

7 10

0,36

0,7

Таблица 4 кислородного генератора, реакторов получения газообразных рабочих газов, накопителей инертных примесей по каждому рабочему газу, соединенных с окружающей водой магистралями, дозаторов воды для 5 получения рабочих газов иэ твердых реагентов в реакторах, Мощность энергоустановки в процессе испытаний изменялась в пределах 11,5 Вт до 50 Вт в течение 350 ч непрерывной работы. 10

В беспродувочном режиме без накопителей ресурс работы энергоустановки составил 35 ч. Характеристики топливных элементов в начале и в конце испытаний при 15 работе с накопителями инертных примесей не изменялись, Это свидетельствует о достаточной интенсивности удаления инертных примесей иэ камер ТЭ ЭХГ, оптимальном подборе накопителей инерт-. 20 ных примесей рабочих газов, стабильной подачи рабочих газов из газогенератора ЭУ.

8 предлагаемой энергоустановке отсутствуют энергопотребляющие и динамические агрегаты. Это позволяет повысить 25

КПД энергоустановки íà 10 — 15ь. 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 иэ реактора и таким образом существенно улучшить массогабаритные характеристики реактора и всей энергоустановки.

Таким образом, энергоустановка работает без энергопотребляющих динамических агрегатов, следовательно, беэ дополнительных расходов энергии на собственные нужды, а также без продувок в окружающую среду. (56) Лидоренко Н.С., Мучник Г.Ф. Электрохимические генераторы, M., Энергоиздат, 1982, с. 325.

Патент Великобритании М 970420, кл.

Н 1 BF, 1964.

134 1170

Таблица 5

Формула изобретения

Составитель К.Вейсбейн

Техред М.Моргентал Корректор Л.Филь

Редактор Н.Тимонина

Заказ 3333

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

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

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

1. ЭНЕРГОУСТАНОВКА ПОДВОДНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ, включающая водороднокислородный 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 сопротивле4 ние, кгlм с, причем внутренний объем

2 трубопровода, соединяющего накопитель с окружающей водой. составляет 10- 40 от объема накопителя, объемы накопителей взяты из условия Н > 1,4 N, где Н - объем накопителя, л;Й - номинальная мощность энергоустановки, Вт, а обьемы дозаторов выбраны иэ требования Ня < 3 ° 10 N, где

-4

10 Нд - 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 доэа20 торами воды, расположенными над фильтром, и со свободно насыпанным на поверхности фильтра твердым реактивом.