Энергетическая установка подводного аппарата

 

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимические генераторы (ЭХГ) с кислородно-водородными топливными элементами (ТЭ), и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА). Согласно изобретению ЭУ ПА содержит ЭХГ с кислородо-водородными ТЭ, соединенные друг с другом блок хранения жидкого кислорода и испаритель жидкого кислорода с магистралью подачи кислорода в ЭХГ и резервуар хранения воды, соединенный магистралью слива воды с ЭХГ; введены последовательно соединенные резервуар хранения метанола, смеситель, испаритель, блок топливных конверторов и блок разделения газов, который своим выходом по водороду подстыкован к магистрали подачи водорода в электрохимический генератор; кроме того, в установку введены соединенные друг с другом блок ожижения углекислоты и блок хранения жидкой углекислоты, при этом блок ожижения углекислоты соединен с выходом по углекислоте блока разделения газов и с испарителем жидкого кислорода, а резервуар хранения воды соединен магистралью подачи воды со смесителем. Техническим результатом использования изобретения является отсутствие необходимости создавать смежные дорогостоящие системы термостатирования и хранения жидкого водорода. Кроме того, исключаются несанкционированные утечки газообразного водорода из системы его хранения и тем самым существенно повышается пожаровзрывобезопасность установки. 1 ил.

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимические генераторы (ЭХГ) с кислородно-водородными топливными элементами (ТЭ), и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА).

Известна ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с кислородно-водородными ТЭ, блок хранения жидкого кислорода с газификатором и устройство хранения водорода в интерметаллидных соединениях, способных поглощать и выделять газообразный водород [1].

Недостатками этого аналога являются большая масса и стоимость интерметаллида. Кроме того, выделение и поглощение водорода идет соответственно при нагревании и охлаждении интерметаллида при определенных температурах и давлениях. Это требует сложной системы терморегулирования и больших энергозатрат. При размещении интерметаллида вне прочного корпуса ПА задача обеспечения необходимого теплового режима существенно усложняется, так как существенной становится температура забортной воды.

Более близкой по технической сущности к предлагаемой ЭУ является ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с кислородо-водородными ТЭ и генерацией водорода на борту ПА путем парового риформинга метанола [2].

Установка содержит блок хранения жидкого кислорода, резервуар сбора реакционной воды из ЭХГ, а также последовательно соединенные блок топливных конверторов (паровой риформер) и блок разделения газов, соединенной своим выходом по водороду с ЭХГ. Для приготовления водоспиртовой смеси используется реакционная вода. Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Недостатком его является то, что образующийся при риформинге углекислый газ выбрасывается за борт, что неприемлемо, так как при этом возможно образование пузырькового следа. Хранить же отработанный углекислый газ на борту проблематично, поскольку требует значительных объемов и энергозатрат на его компремирование.

Техническим результатом использования предлагаемого решения является отсутствие необходимости создавать крупногабаритные системы хранения углекислого газа на борту ПА. Кроме того, существенно повышается пожарозврывобезопасность установки.

Эти задачи решаются за счет того, что в ЭУ ПА, содержащую электрохимический генератор с кислородно-водородными топливными элементами, соединенные друг с другом блок хранения жидкого кислорода и испаритель жидкого кислорода с магистралью подачи кислорода в электрохимический генератор, резервуар хранения воды, соединенный магистралью слива воды с электрохимическим генератором, а также последовательно соединенные резервуар хранения метанола, смеситель, соединенный магистралью подачи воды с резервуаром хранения воды, испаритель, блок топливных конверторов и блок разделения газов, который своим выходом по водороду подстыкован к входу электрохимического генератора, введены соединенные друг с другом блок ожижения углекислоты и блок хранения жидкой углекислоты, при этом блок ожижения углекислоты соединен с выходом по углекислоте блока разделения газов, а испаритель жидкого кислорода имеет тепловой контакт с блоком ожижение углекислоты.

Сущность изобретения иллюстрируется чертежом, отражающим схему ЭУ ПА, где обозначено:

1 - резервуар хранения метанола;

2 - смеситель;

3 - испаритель;

4 - блок топливных конверторов;

5 - блок разделения газов;

6 - электрохимический генератор (ЭХГ);

7 - резервуар хранения воды;

8 - блок ожижения углекислоты;

9 - блок хранения жидкого кислорода;

10 - испаритель жидкого кислорода;

11 - блок хранения жидкой углекислоты.

Резервуар хранения метанола 1 сообщается с магистралью подачи со смесителем 2, в который подается также вода из резервуара хранения воды 7. Из смесителя 2 водоспиртовая смесь подается в испаритель 3, соединенный с блоком топливных конверторов 4. Блок разделения газов 5 подключен в ЭХГ 6 и блоку ожижения углекислоты 8, имеющему тепловой контакт с испарителем жидкого кислорода 10. Испаритель жидкого кислорода 10 в свою очередь подключен к блоку хранения жидкого кислорода 9, а блок ожижения углекислоты 8 к блоку хранения жидкой углекислоты 11.

Для получения газообразного водорода, необходимого для ЭХГ, используется в данном случае не жидкий водород, а метанол, в котором водород находится в связанном виде. Это обстоятельство и обеспечивает упомянутые ранее достоинства предлагаемого решения (безопасность, дешевизну, длительность хранения и др.).

Выделение водорода из метанола осуществляется путем его парового риформинга - реакции, используемой в химической промышленности для переработки углеводородов [3]

Реакция происходит на катализаторах (окислы металлов) при сравнительно невысоких (в отличие от других углеводородов) температурах (200-300°С). При этом водород выделяется также и из молекул воды. Кроме перечисленных причин выбор этого типа реакции для использования на борту ПА связан также с тем, что:

- для реакции (1) не требуется расходовать кислород;

- в реакции используется вода, вырабатываемая ЭХГ.

Паровая переработка метанола в отличие от такой же переработки других углеводородов выгодна также тем, что наиболее проста по технологии, дает наибольшее количество водорода и наименьшее углекислоты.

Проблема утилизации углекислоты на борту ПА является традиционной для подводного флота, она становится достаточно сложной, если углекислота образуется в технологическом процессе, а не только при дыхании людей.

При переработке метанола образуется минимальное количество углекислоты, поскольку в молекуле спирта атом углерода лишь один. Кроме того, использование парового риформинга метанола для получения водорода на борту ПА с криогенным хранением кислорода связано со следующим важным обстоятельством: в данном случае образующуюся кислоту можно ожижить, используя запас “холода” жидкого кислорода. При этом одновременно получается газообразный кислород, необходимый для работы ЭХГ. Баланс тепла при этом соблюдается практически точно.

Действительно, реакция в блоке топливных конверторов имеет вид:

СН₃ОН+Н₂O→СO₂+3Н₂

Образующийся водород реагирует в ТЭ с кислородом:

3H₂+3/2O₂ → 3H₂O (2)

Таким образом, суммарная реакция переработки спирта в ЭУ (ЭХГ + топливный конвертор) ((1)+(2)) выглядит как реакция горения метанола:

При реакции (3) один грамм-моль углекислоты (44 г) образуется при сгорании 3/2 грамм-молей кислорода (48 г). Таким образом, можно оценить баланс тепла для рассматриваемой ЭУ, где происходит совместное ожижение углекислоты и газификации кислорода:

- тепло на ожижение 44 кг СО₂.

300 кДж/кг - удельная теплота испарения СO₂

- тепло на газификацию 48 кг O₂

212 кДж/кг - удельная теплота испарения O₂.

К этим величинам необходимо добавить тепло, необходимое для нагревания кислорода от температуры кипения (-180°С) до температуры ожижения СO₂ (-50°С при давлении 6-8 атм) и тепло охлаждения углекислоты от нормальной температуры (~20°С) до температуры ее ожижения (-50°С). Теплоемкости газов при этом можно считать в первом приближении одинаковой и равной ~ 1 кДж/кг·°C

- тепло нагревания кислорода:

- тепло от углекислоты:

Таким образом, суммарная энергия, необходимая для газификации кислорода, составляет:

а теплота ожижения СO₂:

Таким образом, "запас тепла" в углекислоте практически совпадает с "запасом холода" в кислороде. Это делает технически целесообразным ожижение углекислоты углекислоты за счет газификации кислорода (и наоборот). Такой подход позволяет не затрачивать дополнительную энергию ЭУ на операции с газами, что в свою очередь повышает эффективность установки, т.е. ее КПД, а это - основной показатель для ЭУ.

В соответствии с уравнением (3) реакционной воды при этом с избытком хватает для переработки метанола.

Установка работает следующим образом. Из блока хранения жидкого кислорода 9 компонент через испаритель жидкого кислорода 10 поступает в блок ожижения углекислоты 8, где газифицируется, охлаждая углекислоту, и затем поступает в ЭХГ 6. В ЭХГ 6 кислород реагирует с водородом, поступающим сюда из блока разделения газов 5, в результате чего вырабатывается электричество и вода.

Реакционная вода поступает в резервуар хранения воды 7, откуда ее направляют в смеситель 2 для приготовления водоспиртовой смеси. Метанол поступает в смеситель 2 из резервуара хранения метанола 1.

Водоспиртовая смесь расчетного состава из смесителя 2 направляется в испаритель 3, где переводится в пар и нагревается до необходимой для реакции температуры (~200-300°С). Полученная смесь газов направляется в блок топливных конверторов 4, на катализатор, происходит реакция (1) и образуется смесь водорода и углекислого газа, которая поступает в блок разделения газов 5. Отсюда водород направляют в ЭХГ 6, а углекислоту - на ожижение в блок ожижения углекислоты 8.

Таким образом, использование в ЭУ с кислородно-водородными ТЭ вместо жидкого водорода метанола позволяет “замкнуть” схему по теплу и воде. Использование метанола обусловлено следующими факторами:

- дешевизной и чистотой метанола с точки зрения наличия примесей, отравляющих ТЭ (их содержание в метаноле соответствует требованиям ТЭ и не превышает 2-5 ppm);

- высоким содержанием водорода (~12%);

- низким уровнем температур переработки (~250°С);

- дешевизной катализатора;

- отсутствием в продуктах переработки окиси углерода, отравляющей катализатор и снижающей выход по водороду.

Выбор метанола в качестве горючего и предложенная схема ЭУ позволяют получить следующие основные результаты:

- повышаются взрыво- и пожаробезопасность ЭУ;

- создается резервный запас жидкого топлива (метанола) для двигателей внутреннего сгорания ПА;

- упрощается конструкция системы подачи и конструкции ЭУ в целом и, как следствие, повышается надежность работы ЭУ и снижается ее стоимость;

- неограниченно возрастает срок хранения водорода, т.е. увеличивается ресурс плавания ПА;

- снижаются энергозатраты на испарение жидкого кислорода.

Литература

1. А.Н.Батыров и др. “Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран”. С-Петербург, Судостроение, 1994 г., стр.236.

2. Патент США №6063515, Н 01 М 8/04, май 2000 г.

3. Справочник “Водород: свойства, получение, хранение...”. /Под ред. Д.Ю.Гамбурга, Москва, Химия, 1989 г., стр.318.

Формула изобретения

Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор с кислородо-водородными топливными элементами, соединенные друг с другом блок хранения жидкого кислорода и испаритель жидкого кислорода с магистралью подачи кислорода в электрохимический генератор, резервуар хранения воды, соединенный магистралью слива воды с электрохимическим генератором, а также последовательно соединенные резервуар хранения метанола, смеситель, испаритель, блок топливных конверторов и блок разделения газов, который своим выходом по водороду подстыкован ко входу электрохимического генератора, отличающаяся тем, что в установку введены соединенные друг с другом блок ожижения углекислоты и блок хранения жидкой углекислоты, при этом блок ожижения углекислоты соединен с выходом по углекислоте блока разделения газов и с испарителем жидкого кислорода, а резервуар хранения воды соединен магистралью подачи воды со смесителем.

РИСУНКИ

Рисунок 1