Когенерационная установка на металлсодержащем топливе

Изобретение относится к когенерационной установке на металлсодержащем горючем. Установка содержит по меньшей мере одну реакционную камеру, средства для ввода по меньшей мере одного жидкого окислителя на водной основе и средства для подачи по меньшей мере одного металлсодержащего топлива в камеру, при этом окислитель и топливо являются способными вызывать экзотермическую реакцию окисления для получения газообразного водорода и по меньшей мере одного оксида металла, средства для ввода выполнены с возможностью ввода в указанную камеру окислителя в количестве, которое значительно больше, чем стехиометрическое количество для образования пара, и содержит по меньшей мере один движущий блок на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, пар для приведения во вращательное движение приводного вала, средства отделения и извлечения для, по меньшей мере, пара, находящиеся между камерой и входом в движущий блок, и средства для отвода указанного водорода, подаваемого на хранение или потребителю. Использование изобретения обеспечивает непрерывность цикла действия и автономность установки, а также снижение загрязнения атмосферы. 2 н. и 22 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к когенерационной установке на металлсодержащем топливе.

Предшествующий уровень техники

Известно, что в свете растущего спроса на энергию, в секторе рынка, генерирующем энергию, постоянно происходит поиск инновационных источников, которые наносят низкий ущерб окружающей среде, и не вызывают проблем в снабжении топливами.

В этой области исследования, которые используют реакцию окисления металлсодержащих топлив в воде для генерации водорода, предназначенного для снабжения двигателей, таких, как топливные ячейки, развивались в течение долгого времени, так как водород является незагрязняющим и возобновляемым источником энергии. Металлсодержащие топлива, используемые для осуществления этой реакции, обычно являются основанными на алюминии.

В сущности, известно, что чистый алюминий в твердом/жидком состоянии, в присутствии жидкого окислителя на водной основе уже при комнатных условиях вступает в реакцию окисления, которая быстро достигает температурных условий, необходимых для поддержания оптимальной реакции:

$$2Al+3H_{2}O\to A{l}_2{O}_3+3H_2(1)$$

В соответствии с реакцией формулы (1), также известной, как реакция расщепления воды, чистый алюминий реагирует с водой с образованием газообразного водорода и оксида алюминия в твердом и жидком состоянии; эта реакция сопровождается выделением тепла (приблизительно 230 ккал на моль Al), будучи при этом крайне экзотермичной.

Трудность в промышленном применении реакции (1) состоит в том, что при контакте с воздухом алюминий окисляется и, следовательно, заготовки алюминия покрываются тонкой защитной пленкой, которая ингибирует реакцию с водой.

Таким образом, изучались различные варианты решения с целью сделать алюминий инертным по отношению к воздуху, с целью ингибирования образования оксидной пленки, или для достижения удаления таковой напрямую в воде, так, чтобы сделать возможной реакцию окисления и последующее образование водорода.

Например, из US 2008/0063597 A1 известно получение топлива, состоящего из смеси алюминия и галлия в твердом состоянии, при этом последний действует в качестве защитного средства по отношению к окислению алюминия.

Во время реакции окисления галлий, будучи инертным по отношению к воде, не претерпевает дальнейших трансформаций, и остается в качестве побочного продукта.

Однако использование этого топлива на основе галлия и алюминия не лишено недостатков, которые включают то, что оно требует производства в подходящих лабораторных установках и последующее хранение топливных единиц, увеличивая требуемое время и затраты на снабжение.

Является необходимым далее создать системы для переработки и вывода из реакционной камеры галлия, который выделяется вследствие окисления топлива водой, что увеличивает сложность его структуры, и увеличивает его производственные и эксплуатационные затраты.

В качестве альтернативы также известно, что созданы камеры для реакции алюминия в воде, внутри которой установлены элементы для механической обработки заготовок, основанных на алюминии или сплавах такового, которые подаются в камеру в такую зону механической обработки с целью уничтожения пленки защитного оксида, которая покрывает эти заготовки, и сделать чистые атомы алюминия доступными для реакции с водой.

Конкретно, установка для получения газообразного водорода известна из JP 2001031401, в которой используется емкость для содержания воды, которую присоединяют к трубопроводу для отвода генерированного водорода, внутри которой размещен режущий инструмент, который погружен в воду и предназначен для механической обработки топлива, основанного на алюминии или сплавах такового, который подают по направлению к такому инструменту. Приведение режущего инструмента во вращательное движение осуществляется посредством мотора, который является внешним по отношению к емкости.

Кроме того, в US 2004/0208820 A1 раскрывается способ генерации водорода, который включает в себя осуществление действия трения и одновременного механического разрушения металлического материала, основанного на алюминии, погруженного в воду, чтобы сделать атомы чистого алюминия доступными для запуска реакции с водой. Конкретно, раскрыта установка, которая образована реакционной камерой, снабженной средствами для подачи воды, и с трубопроводом для вывода газообразного водорода, в котором размещается шлифовальное колесо, погруженное в воду, по направлению к которому подается металлический материал, содержащий алюминий в твердом состоянии. Вращательное движение шлифовального колеса осуществляется при помощи внешнего электрического мотора.

Однако даже эти установки не лишены недостатков, включающих, в частности, то, что они разработаны исключительно для получения газообразного водорода, который будет храниться или подаваться подходящим потребителям, и не дают возможности использования других источников энергии, ставших доступными вследствие реакции окисления.

Далее, эти установки требуют внешних источников снабжения как энергией, так и топливом, необходимыми для эксплуатации мотора для приведения во вращательное движение соответствующих инструментов, и для технической воды, необходимой для поддержания реакции.

Более того, такие установки затрудняют регулировку количества водорода, который производится, и особенно по отношению к установке, раскрытой в JP 2001031401, действуют не непрерывно, так как реакционную камеру необходимо периодически заново снабжать водой.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является ликвидация вышеуказанных недостатков из уровня техники путем изобретения когенерационной установки на металлсодержащем топливе, которая делает возможным использование не только химической потенциальной энергии водорода, полученного окислением металлсодержащего топлива в воде, но также и тепла, выработанного при помощи реакции расщепления воды для генерации тепловой энергии, механической энергии и/или электрической энергии.

В рамках этой цели задачей настоящего изобретения является создание автономной установки непрерывного цикла действия, которая составляет существенным образом закрытую систему, способную саму себя поддерживать, как только будут достигнуты стационарные условия.

Другой задачей настоящего изобретения является создание процедур, которые бы сделали возможным вновь пускать в оборот побочные продукты, полученные в реакционной камере, и в особенности оксиды металлов.

Другой задачей настоящего изобретения является предложить компактную установку, которая легко бы использовалась в различных областях, например для приведения наземных, морских или аэрокосмических транспортных средств, в стационарных силовых установках, и для когенерации для гражданского и/или промышленного применения.

Дальнейшей задачей настоящего изобретения является не выпускать вещества, которые загрязняют окружающую среду, и наносить ограниченный ущерб окружающей среде.

Другой задачей настоящего изобретения является создание установки, которая является простой, относительно простой для создания на практике, безопасной в использовании, эффективной в эксплуатации и с относительно низкими затратами.

Эта цель, и эти, и другие задачи, которые станут более ясными далее в данном документе, достигаются при помощи настоящей когенерационной установки на металлсодержащем топливе, которая включает, по меньшей мере, одну реакционную камеру, средства для ввода, по меньшей мере, одного жидкого окислителя на водной основе, и средства для подачи, по меньшей мере, одного металлсодержащего топлива в указанную камеру, при этом окислитель и топливо являются приспособленными для вызова экзотермической реакции окисления для получения газообразного водорода и, по меньшей мере, одного оксида металла, отличающиеся тем, что указанные средства ввода являются приспособленными для ввода в указанную камеру количества окислителя, которое составляет значительно большее, чем стехиометрическое количество для образования пара, и включает, по меньшей мере, один движущий блок на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, указанный пар для приведения во вращательное движение приводного вала, при этом средства разделения и извлечения для указанного пара, расположены между камерой и впуском в указанный движущий блок, и устройства для отвода указанного водорода, подаваемого далее.

Согласно формуле изобретения предлагается когенерационная установка на металлсодержащем горючем, содержащая по меньшей мере одну реакционную камеру, средства для ввода по меньшей мере одного жидкого окислителя на водной основе, и средства для подачи по меньшей мере одного металлсодержащего топлива в указанную камеру, при этом окислитель и топливо являются способными вызывать экзотермическую реакцию окисления для получения газообразного водорода и по меньшей мере одного оксида металла, отличающаяся тем, что указанные средства для ввода выполнены с возможностью ввода в указанную камеру окислителя в количестве, которое значительно больше, чем стехиометрическое количество для образования пара, и содержит по меньшей мере один движущий блок на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, указанный пар для приведения во вращательное движение приводного вала, средства отделения и извлечения для, по меньшей мере, указанного пара, находящиеся между камерой и входом в движущий блок, и средства для отвода указанного водорода, подаваемого на хранение или потребителю.

Предпочтительно указанные средства подачи содержат по меньшей мере один инструмент, расположенный внутри указанной камеры и погруженный в указанный окислитель с образованием рабочей зоны, при этом инструмент связан с указанным приводным валом с возможностью вращения с режущим движением, и толкающие средства для ввода по меньшей мере одной заготовки (M), изготовленной из указанного топлива в указанную камеру в указанной рабочей зоне, при этом механическое воздействие инструмента на заготовку (M) обеспечивает образование фрагментов указанного топлива, открытые поверхности которых несут металлические частицы, являющиеся реакционно-способными по отношению к окислителю.

Предпочтительно установка содержит средства привода для исходного приведения в движение указанных средств ввода и/или указанных средств подачи, при этом в стационарном состоянии приведение в движение средств ввода и/или средств подачи поддерживается механической энергией, обеспечиваемой движущим блоком.

Предпочтительно указанная камера расположена, по существу, вдоль продольной оси, при этом ее первый конец и второй конец установлены взаимно противоположно и связаны жидкостным соединением соответственно с указанными средствами ввода и с указанными средствами отделения и извлечения.

Предпочтительно указанные средства ввода содержат корпус коллектора, который связан с трубопроводом для входящего потока указанного окислителя, и жидкостным соединением с указанным первым концом и имеет, по существу, кольцеобразную форму вокруг указанной продольной оси (A) с образованием центрального отверстия, в котором расположен с возможностью герметичного прохождения насквозь указанный приводной вал.

Предпочтительно указанные средства ввода содержат направляющую перегородку, которая расположена между указанным корпусом коллектора и указанным первым концом, с возможностью сообщения указанному окислителю движения в направлении, которое является, по существу, параллельным с продольной осью (A) по длине указанной камеры.

Предпочтительно указанные средства ввода и указанные средства подачи выполнены непрерывно функционирующими.

Предпочтительно указанные средства отделения и извлечения содержат отстойный бассейн, который связан жидкостным соединением с указанным вторым концом с размещенной в нем замедляющей перегородкой, при этом бассейн имеет по меньшей мере один штуцер для выхода по меньшей мере одного из указанного водорода и указанного пара, который связан с выходом из указанного движущего блока, и по меньшей мере один второй штуцер для выхода по меньшей мере одного из указанного избытка окислителя и указанного оксида металла.

Предпочтительно указанный инструмент расположен поблизости от указанного первого конца на указанной продольной оси (A), при этом указанные толкающие средства приспособлены для ввода указанной заготовки (M) параллельно указанной продольной оси (A).

Предпочтительно указанный бассейн имеет, по существу, кольцеобразную форму вокруг указанной продольной оси (A) для образования центрального отверстия, в котором расположена указанная камера с отверстием для герметичного ввода указанной заготовки (M).

Предпочтительно установка содержит первые устройства теплообмена для, по меньшей мере, частичного возврата тепла от, по меньшей мере, указанного пара на выходе из указанной камеры.

Предпочтительно установка содержит устройства для перегрева, по меньшей мере, указанного пара, которые расположены выше по потоку от впуска в указанный движущий блок.

Предпочтительно установка содержит вторые устройства теплообмена, которые связаны с выпуском из указанного движущего блока для, по меньшей мере, частичного возврата тепла от, по меньшей мере, указанного пара.

Предпочтительно установка содержит первый узел разделения фаз, который связан с указанным вторым штуцером для вывода и отделения указанного избытка окислителя и указанного оксида металла, первые средства оборудованы для подачи окислителя в камеру, средство - для восстановления оксида металла, и вторые средства - для подачи металла, полученного из реакции восстановления, в камеру.

Предпочтительно указанный движущий блок на входе подается указанный пар и указанный водород, при этом средства отделения и извлечения приспособлены для удаления из указанной камеры пара и водорода, а средства отвода связаны с выпуском из движущего блока.

Предпочтительно установка содержит второй узел разделения фаз, который выполнен с возможностью совместного функционирования с указанными вторыми устройствами теплообмена для отделения указанного водорода от воды, полученной от конденсации указанного пара, при этом средства отделения и извлечения связаны с выходом из указанного второго узла разделения фаз, и установка содержит третьи средства для возврата конденсационной воды в камеру.

Предпочтительно установка в качестве указанного движущего блока содержит турбину, рабочее колесо которой соединено для вращения с указанным приводным валом.

Предпочтительно установка в качестве указанного движущего блока он содержит первичный двигатель внешнего сгорания.

Предпочтительно указанное топливо включает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, которая включает алюминий, магний, и соответствующие соединения и/или сплавы.

Предпочтительно указанное топливо состоит, по существу, из алюминия, его соединений и/или сплавов.

Предпочтительно указанная заготовка (M) имеет, по существу, удлиненную форму, при этом инструмент выполнен с возможностью обработки ее конца.

Предпочтительно установка содержит узел управления и контроля, который выполнен с возможностью обработки по меньшей мере одного из значений: тепловой энергии (P_HEAT) механической энергии (P_M) и энергии химического потенциала (P_H2) полученных из значений характеристик физических величин, установленных средствами детектирования, для сравнения указанного по меньшей мере одного установленного значения с по меньшей мере одним соответствующим заданным значением: тепловой энергии $$(P_{HEAT}^{\mathrm{Re}quested})$$ механической энергии $$(P_M^{\mathrm{Re}quested})$$ или энергии химического потенциала $$(R_{H2}^{\mathrm{Re}quested})$$ , и для управления указанными устройствами ввода (3) и/или устройствами подачи (4) с возможностью получения установленного значения, которое, по существу, равно соответствующему заданному значению.

Кроме того, согласно формуле изобретения предлагается способ когенерации металлсодержащего топлива, включающий стадии, на которых обеспечивают по меньшей мере один жидкостной окислитель на водной основе, подают по меньшей мере одно металлсодержащее топливо, которое является реакционно-способным в окислении указанным окислителем для образования водорода и по меньшей мере одного оксида металла, при этом указанный окислитель вводят в избытке по отношению к стехиометрическому количеству, требуемому в соответствии с указанной реакцией окисления, смешивают указанное топливо и указанный окислитель для получения указанной реакции и одновременной генерации пара из избыточного количества указанного окислителя, обрабатывают по меньшей мере один из указанного водорода и указанного пара в движущем блоке на жидкостной основе для приведения во вращательное движение по меньшей мере одного приводного вала, извлекают указанный водород на выходе из указанного движущего блока, при этом указанные стадии составляют непрерывный процесс.

Предпочтительно способ включает стадию возврата тепла из указанного по меньшей мере одного из указанного водорода и указанного пара выше по потоку и/или ниже по потоку от прохода внутри указанного движущего блока.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из следующего подробного описания предпочтительного, но не исключительного варианта осуществления когенерационной установки на металлсодержащем топливе, проиллюстрированной посредством неограничивающего примера в прилагаемых чертежах, в которых:

фиг.1 представляет собой схематичный продольный разрез когенерационной установки в соответствии с изобретением;

фиг.2 представляет собой блок-схему, которая отражает архитектуру и функциональные связи когенерационной установки в соответствии с изобретением;

фиг.3 представляет собой блок-схему, которая отражает узел управления и контроля когенерационной установки в соответствии с изобретением.

Пути осуществления изобретения

Относительно фигур, номер позиции 1, в общем, обозначает когенерационную установку на металлсодержащем топливе.

Установка 1 включает, по меньшей мере, одну реакционную камеру 2, которая является герметичной и подходящим образом термически изолированной, средства 3 для ввода, по меньшей мере, одного жидкого окислителя на водной основе в камеру 2, и средства 4 для подачи, по меньшей мере, одного металлсодержащего топлива в указанную камеру.

Окислитель и топливо являются приспособленными для вызывания между ними экзотермической реакции окисления для получения газообразного водорода и, по меньшей мете, одного оксида металла в твердом и/или жидком состоянии.

Преимущественно, средства 3 ввода и средства 4 подачи работают непрерывно, снабжая камеру 2, с целью стабильно поддерживать указанную реакцию.

Топливо предпочтительно подают в твердом состоянии, но также его можно вводить в камеру также или исключительно в жидком состоянии.

Топливо далее включает по меньшей мере, один металл, выбранный из группы, которая включает алюминий, магний, ассоциированные соединения и/или сплавы. Предпочтительно, топливо образовано из алюминия, соединений и/или сплавов такового.

Окислитель существенным образом образован водой, необязательно с добавлением защитных, ускоряющих и/или каталитических веществ известного типа.

Реакция между водой и алюминием, таким образом, вызывает образование газообразного водорода и оксида алюминия в твердом и/или жидком состоянии.

Преимущественно, средства 3 ввода являются приспособленными для ввода количества воды, которое является значительно большим, чем таковое стехиометрическое для поддержания реакции окисления; избыток воды, из-за тепла, генерированного этой реакцией, переводится, по меньшей мере, частично, в пар.

Установка 1, таким образом, имеет, по меньшей мере, один движущий блок 5 на жидкостной основе, в который на входе подается, по меньшей мере, пар, для вращения приводного вала 6, между камерой 2 и впуском в движущий блок 5, при этом там находятся средства 7 для отделения и извлечения, по меньшей мере, пара.

Предпочтительно, как показано на фиг.1, в движущий блок 5 на входе подается и пар, и водород, которые получаются в камере 2 и удаляются из указанной камеры посредством средств 7 отделения и извлечения.

Установка 1 далее снабжена устройствами 8 (показаны схематически на фиг.2) для отвода полученного водорода, которые являются связанными со средствами 7 отделения и извлечения, если движущий блок 5 снабжается исключительно паром; или расположенными вниз по потоку от выпуска из движущего блока 5, когда указанная машина снабжается обеими текучими средами. Устройства отвода 8 могут обеспечивать хранение или передачу водорода к потребителю в соответствии с известными технологиями.

Движущий блок 5 образован турбиной, рабочее колесо 5a которой совместно соединено с приводным валом 6 для вращения. В альтернативном варианте осуществления движущий блок 5 может быть образован первичным двигателем внешнего сгорания, таким, например, как двигатель Стирлинга.

Камера 2 существенным образом располагается вдоль продольной оси A, так, чтобы образовывать первый конец 2a и второй конец 2b, которые являются взаимно противоположными и связаны с жидкостным соединением с средствами 3 ввода, и средствами 7 отделения и извлечения соответственно.

Средства 4 подачи включают по меньшей мере, один инструмент 9, который располагается в камере 2 так, чтобы образовывать рабочую зону, которая погружена в воду, и связан с приводным валом 6 для приведения во вращение с режущим движением. На фиг.1 инструмент 9 представляет собой таковой типа лобовой фрезы, и закреплен непосредственно на приводном вале 6 на первом конце, который выступает внутрь камеры 2, при этом режущее движение является вращательным. Однако, возможно и предусмотреть использование инструмента другой формы, такого, как, например, шлифовальный диск. Средства 4 подачи далее имеют толкающие средства 10 для ввода, по меньшей мере, одной заготовки M, изготовленной из топлива, в камеру 2 в указанной рабочей зоне. Толкающие средства 10, предпочтительно, являются приспособленными для непрерывного снабжения камеры 2. Механическое действие, оказываемое инструментом 9 на заготовку M, является таким, чтобы получалась совокупность фрагментов топлива подходящего размера (например, имеющих диаметр, находящийся между 10 и 100 микрометрами), открытые поверхности которого несут металлические частицы, которые являются реакционно-способными в присутствии воды.

В особенности, если используется топливо на основе алюминия, то механическая обработка, выполняемая инструментом 9, делает возможным удаление пленки оксида алюминия, которая покрывает заготовку M снаружи, которая ранее находилась в контакте с воздухом, и делает частицы чистого металла доступными для реакции с водой.

Преимущественно, заготовка M может иметь удлиненную форму и может состоять из обычных продажных брусков, которые являются широко доступными на рынке, при этом инструмент 9 является приспособленным для выполнения ее окончательной механической обработки.

Инструмент 9 расположен поблизости от первого конца 2a, на продольной оси A, и толкающие средства 9 являются приспособленными для ввода заготовки M в камеру 2 через отверстие, которое образуется на втором конце 2b параллельно указанной оси.

Установка 1 оборудована устройствами привода 11 (схематически показаны на фиг.2) для первоначального приведения в движение средств 3 ввода и/или средств 4 подачи. В особенности, средства привода 11 являются приспособленными для поворачивания приводного вала 6, вызывая последующий запуск реакции окисления в камере 2 до тех пор, пока не будут достигнуты условия стационарного состояния, в которых указанные средства привода выключают, и вращение сообщается приводному валу 6 исключительно при помощи турбины 5. Более того, средства привода 11 обеспечивают запуск в эксплуатацию любых насосных устройств, оборудованных внутри средств 3 для ввода окислителя, и любых дополнительных вспомогательных потребителей 12, таких, как элементы для запуска толкающих средств 10.

На фиг.1 показан фланец 13, который жестко присоединен ко второму концу приводного вала 6, который лежит напротив первого, и является расположенным внешним образом относительно камеры 2, для сочленения с средствами привода 11, не показанными подробно, которые могут быть образованы электрическим мотором обычного типа.

Средства 3 ввода включают корпус коллектора 14, который связан с трубопроводом 15 для забора воды, которая подается при помощи бака 16 путем указанных насосных устройств, или напрямую из водопроводной сети; корпус коллектора 14 имеет жидкостное соединение с первым концом 2a и имеет существенным образом кольцеобразную форму вокруг продольной оси A, так, чтобы образовывать центральное отверстие, в котором располагается приводной вал 6 так, что он проходит насквозь. Камера 2 имеет, на первом конце 2a, отверстие, у центрального отверстия корпуса коллектора 14, в которое вставлен приводной вал 6 так, чтобы проходить герметично. Средства 3 ввода далее имеют направляющую перегородку 17, которая расположена между корпусом коллектора 14 и первым концом 2a, с целью сообщить воде движение в направлении, которое является, по существу, параллельным с продольной осью A по камере 2, по направлению ко второму концу 2b. Направляющая перегородка 17 образована кольцевидной пластиной, снабженной множеством цилиндрических сквозных отверстий, распределенных по длине всего расширения.

Средства 7 отделения и извлечения включают отстойный бассейн 18, который связан жидкостным соединением со вторым концом 2b путем перегораживания замедляющей перегородкой 19, которая образована кольцевидной пластиной, снабженной множеством цилиндрических сквозных отверстий, распределенных по длине всего расширения.

Бассейн 18 снабжен в верхней области по меньшей мере, одним штуцером 18a для выхода по меньшей мере, одного из водорода и пара, которые образовались внутри камеры 2 и, в нижней области, по меньшей мере, одним вторым штуцером 18b для вывода, по меньшей мере одного из любого избытка воды, которая все еще находится в жидком состоянии, и оксида металла, который образовался, в особенности, оксида алюминия. В установке, показанной на фиг.1, вся газовая фаза, образованная смесью пара и водорода, направленная к турбине 5, проходит через первый штуцер 18a, в то время как вода и оксид алюминия выходят через второй штуцер 18b. Ниже второго штуцера 18b по потоку, таким образом, находится первый узел разделения фаз 20, схематически показанный на фиг.2, для дальнейшего разделения воды и оксида металла, например, отстойного типа. Установка 1 далее оборудована первыми устройствами 21 для подачи воды, выделенной первым узлом разделения фаз 20, в камеру 2 путем средств 3 ввода, и устройством 23 для подачи металла, полученного из реакции восстановления в камере 2 напрямую или путем средств подачи 4.

В случае использования топлива, основанного на алюминии, сплавах и/или соединениях такового, устройство 22 восстановления оксида алюминия может быть электролитического типа, предпочтительно, с ячейками, имеющими инертные аноды.

Бассейн 18, таким образом, имеет существенным образом кольцеобразное расширение вокруг продольной оси A так, чтобы образовать внутреннюю полость, в которой образуется отверстие второго конца 2b для герметичного ввода заготовки M.

Преимущественно, оборудуются первые устройства теплообмена 24, которые функционируют при высоком давлении (в общем, выше, чем 30 бар) для, по меньшей мере, частичного возврата тепла из, по меньшей мере, пара у выхода из первого штуцера 18a и на входе в турбину.

Если турбина 5 снабжается на входе паром и водородом, то первые устройства теплообмена 24 обрабатывают обе текучие среды.

На фиг.1 показаны первые устройства теплообмена 24 с разделенными текучими средами и изолированными потоками, которые влияют на трубопровод 25 для соединения первого штуцера 18a со впуском турбины 5; номера позиций 24a и 24b соответственно обозначают впускной и выпускной клапаны первой рабочей среды, которая поглощает тепло от водорода и от пара.

Является возможным далее оборудовать устройства 26 для перегрева водорода и/или пара выше по потоку от турбины, показанные схематически на фиг.2. Устройства перегрева 26, если они установлены, являются подходящим образом присоединенными выше впуска по потоку к первым устройствам теплообмена 24. Устройства перегрева 26 могут быть образованы, например, частью спирального трубопровода, расположенного в камере 2 поблизости от рабочей зоны инструмента 9 и от участка, где запускается и развивается экзотермическая реакция окисления, который пересекается водородом и/или паром на выходе из средств 7 отделения и извлечения.

Установка 1 далее имеет вторые устройства теплообмена 27, которые функционируют при низком давлении (в общем, ниже, чем пять бар), связанные с выходом движущего блока 5 для, по меньшей мере, частичного возврата тепла от, по меньшей мере, пара и соответствующей конденсации.

Если в турбину 5 на входе подаются пар и водород, то вторые устройства теплообмена 27 обрабатывают обе текучие среды.

На фиг.1 вторые устройства теплообмена 27 с разделенными текучими средами и изолированными потоками присоединены к выходу турбины 5 посредством трубопровода 28, и снабжаются и водородом, и паром; номера позиций 27а и 27b обозначают, соответственно, впуск и выпуск второй рабочей среды, которая поглощает тепло от водорода и от пара.

Существует, таким образом, второй узел разделения фаз 29, который скомпонован так, чтобы функционировать совместно со вторыми устройствами теплообмена 27 для отделения водорода от воды, полученной от конденсации пара. На фигурах номера позиций 29a и 29b обозначают выпуски, соответственно, водорода, и конденсационной воды.

Средства 8 отвода связаны с выпускным клапаном 29a с целью хранения водорода или для отправки его потребителю.

Наконец, оборудованы третьи устройства 30 для подачи конденсационной воды в камеру 2 путем средств 3 ввода.

В особенности по отношению к фиг.2 и 3, использованные символы из которых употребляются в скобках, отмечено, что преимущественно существуют устройства, образованные обычными сенсорами и/или датчиками для установления физических величин, которые дают возможность в соответствии с формулами, известными специалистам в данной области техники, рассчитать, по меньшей мере, одно из значений: тепловую энергию (P_HEAT), перенесенную первыми и/или вторыми устройствами теплообмена 24 и/или 27, к соответствующим рабочим средам, механическую энергию (P_M), выданной движущим блоком 5, и энергию химического потенциала (P_H2), которая соответствует полученному количеству водорода.

Более подробно, является возможным оборудовать устройства для установления значений:

- скорости потока, давления и температуры окислителя, подаваемого средствами 3 ввода,

- давление и температуру в камере 2 на участке, где запускается и развивается экзотермическая реакция окисления,

- давление и температуру пара и/или водорода на входе в первые устройства теплообмена 24,

- давление и температуру пара и/или водорода на выходе из первых устройств теплообмена 24 или на входе в движущий блок 5,

- давление и температуру пара и/или водорода на выходе из движущего блока 5,

- скорость потока, давление и температуру водорода на выходе из первого выпускного клапана 29a и

- скорость потока и температуру конденсационной воды на выходе из второго выпускного клапана 29b.

Далее является возможным оборудовать устройства для установления значений:

- скорости подачи заготовки M, передаваемой толкающими устройствами 10,

- скорость вращения и крутящий момент приводного вала 6,

- скорость потока, давление и температуру первой рабочей среды на входе в первые устройства теплообмена 24,

- давление и температуру первой рабочей среды на выходе из первых устройств теплообмена 24,

- скорость потока, давление и температуру второй рабочей среды на входе во вторые устройства теплообмена 27, и

- давление и температуру второй рабочей среды на выходе из вторых устройства теплообмена 27.

Установка 1 далее снабжена узлом управления и контроля 31, который схематически показан на фиг.3, и является приспособленным для того, чтобы получать соответствующие сигналы физических величин, обрабатывать их с целью рассчитать, по меньшей мере, одно из вышеуказанных значений тепловой энергии (P_HEAT), механической энергии (P_M) и энергии химического потенциала (P_H2), выданных установкой 1 для сравнения измеренных значений с соответствующими значениями уставки: тепловой энергии $$(P_{HEAT}^{\mathrm{Re}quested})$$ , механической энергии $$(P_M^{\mathrm{Re}quested})$$ и/или энергии химического потенциала $$(R_{H2}^{\mathrm{Re}quested})$$ с целью определения любых положительных или отрицательных отклонений (ΔP_HEAT, ΔP_M, ΔP_H2) и соответственного управления приведением в действие средств 3 ввода и/или средств 4 подачи так, чтобы получить измеренные значения, которые являются, по существу, равными значениям уставки.

В особенности, если обнаружено отклонение измеренного значения тепловой энергии (ΔP_HEAT) по отношению к значению уставки для данной скорости потока воды (m_H2O) на входе в камеру 2, узел управления и контроля 31 воздействует на средства 3 ввода, задавая коррелированное положительное или отрицательное отклонение (Δm_H2O) скорости потока воды на входе.

Более того, в случае отклонения измеренного значения механической энергии (ΔP_M) или энергии химического потенциала (ΔP_H2) по отношению к соответствующему значению уставки, для данной скорости потока алюминия (m_Al), введенного в камеру 2, узел управления и контроля воздействует на средства 4 подачи, вызывая коррелированное положительное или отрицательное отклонение (Δm_Al) скорости потока алюминия на входе.

В особенности, значение механической энергии (P_M), выданной движущим блоком 5, может быть получено путем обработки значений давления и температуры скорости потока газообразной смеси (m_mix) на входе в указанный движущий блок для расчета соответствующей величины энтальпии (h_mix), из которой узел управления и контроля 31 способен обработать данное, относящееся к энергии, которая может быть получена от движущего блока 5. В то же время узел управления и контроля способен установить значение механической энергии, требуемой установкой, из мгновенно установленных значений крутящего момента и скорости вращения у приводного вала 6. Когда механическая энергия, выданная движущим блоком 5, является достаточной для обеспечения того, чтобы приводной вал 6 продолжал бы вращаться с желаемой скоростью и для удовлетворения требований средств 3 ввода и любых вспомогательных потребителей 12, узел управления и контроля 31 выключает устройства привода 11, и установка 1 поддерживает себя автономно. Любой избыток в полученной механической энергии может быть конвертирован в электрическую энергию.

Узел управления и контроля 31, не показанный подробно, представляет собой таковой типа обычного электронного устройства, предпочтительно, программируемого типа, необязательно оборудованного устройствами взаимодействия с пользователем для установки требуемых значений тепловой энергии $$(P_{HEAT}^{\mathrm{Re}quested})$$ , механической энергии $$(P_M^{\mathrm{Re}quested})$$ и/или энергии химического потенциала $$(R_{H2}^{\mathrm{Re}quested})$$ .

Функционирование настоящего изобретения следующее.

Путем средств 3 ввода средства 4 подачи воды или другой окислитель на водной основе и алюминий, соединения и/или сплавы такового, или другое металлсодержащее топливо непрерывно вводят соответственно в камеру 2 для запуска реакции окисления, которая ведет к генерации газообразного водорода и оксида алюминия, или другого оксида металла.

Преимущественно воду вводят непрерывно в камеру 2, в количестве, которое является большим, чем стехиометрическое количество, с целью поддержания реакции окисления, так, что избыток воды конвертируется, по меньшей мере, частично в пар благодаря теплу, генерированному реакцией окисления.

Пар и, необязательно, также и водород, содержащиеся в камере 2 после подходящего отделения от других веществ, содержащихся в камере, вводят в турбину 5 или другой движущий блок на жидкостной основе с целью получения механической энергии, которую необязательным образом можно конвертировать в электрическую энергию. Перед входом в турбину 5 газообразную смесь, предпочтительно, обрабатывают в устройствах перегрева 26, если они установлены, и в первых устройствах теплообмена 24 для возврата тепла.

Любую избыточную воду и оксид алюминия на выходе из камеры 2 обрабатывают в первом узле разделения фаз 20, из которого воду из выхода отправляют в камеру 2, и оксид алюминия электролитически восстанавливают так, чтобы снова получить металлический алюминий для ввода в камеру 2.

На выходе из турбины 5 газообразную смесь обрабатывают во вторых устройствах теплообмена 27 для дальнейшего возврата тепла и затем во втором узле разделения фаз 29 для отделения конденсационной воды, которую снова можно ввести в камеру 2, и водорода, предполагаемого для соответствующих потребителей или для хранения.

Установка в соответствии с изобретением, таким образом, делает возможным получать механическую/электрическую энергию, тепловую энергию и энергию химического потенциала.

Способ когенерации из металлсодержащего топлива, который предложен, на самом деле предусматривает стадии:

- подачи, по меньшей мере, одного жидкого окислителя на водной основе,

- подачи, по меньшей мере, одного металлсодержащего топлива, которое является реакционно-способным в окислении указанным окислителем для образования водорода и, по меньшей мере, одного оксида металла, при этом окислитель вводят в избытке по отношению к стехиометрическому количеству, требуемому в соответствии с указанной реакцией окисления,

- смешивания топлива и окислителя для достижения реакции и одновременной генерации пара из избыточного количества окислителя,

- обработки, по меньшей мере, одного из водорода и пара в движущем блоке на жидкостной основе для приведения во вращательное движение, по меньшей мере, одного приводного вала,

- выделения водорода на выходе из рабочей машины, при этом такие стадии составляют непрерывный процесс.

В таком способе можно далее предусмотреть стадию возврата тепла от пара и/или водорода выше по потоку или ниже по потоку из прохода внутри движущего блока.

На практике было обнаружено, что предложенная цель и задачи описанного изобретения достигаются и, в особенности сделан акцент на то, что установка в соответствии с изобретением и соответствующий способ когенерации делают возможным получить, путем использования широко доступного металлсодержащего топлива, которое является относительно дешевым и незагрязяняющим, в дополнение к энергии химического потенциала, даваемой полученным водородом, также механическую/электрическую и тепловую энергию.

Далее, установка в соответствии с изобретением делает возможным использовать, по меньшей мере, часть генерированной механической энергии для поддержания ее собственного функционирования, будучи автономной в условиях стационарного состояния по отношению к внешним источникам энергии, которые увеличили бы ее эксплуатационные расходы.

Более того, установка в соответствии с изобретением обеспечивает повторную циркуляцию побочных продуктов реакции, снижая эксплуатационные расходы.

Наконец, предложенная установка является компактной и гибкой в применении.

Разработанное таким образом изобретение является допускающим многочисленные модификации и изменения, все из которых подпадают под объем притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Все детали можно далее заменить другими технически эквивалентными элементами.

На практике использованные материалы, также, как и пропорциональные формы и размеры могут быть любыми в соответствии с требованиями без отхода от объема правовой охраны по прилагаемой формуле изобретения.

Раскрытия в итальянской патентной заявке № МО2008А000249, по которой по данной заявке испрашивается приоритет, включены в данный документ путем ссылки.

Там, где за техническими признаками, указанными в любом пункте формулы изобретения, следуют ссылочные позиции, таковые ссылочные позиции приведены с единственной целью увеличения ясности пунктов формулы изобретения и, соответственно, такие ссылочные позиции не оказывают какого-либо ограничительного эффекта на интерпретацию каждого элемента, установленного путем примера при помощи таких ссылочных позиций.

1. Когенерационная установка (1) на металлсодержащем горючем, содержащая по меньшей мере одну реакционную камеру (2), средства (3) для ввода по меньшей мере одного жидкого окислителя на водной основе и средства (4) для подачи по меньшей мере одного металлсодержащего топлива в указанную камеру (2), при этом окислитель и топливо являются способными вызывать экзотермическую реакцию окисления для получения газообразного водорода и по меньшей мере одного оксида металла, отличающаяся тем, что указанные средства (3) для ввода выполнены с возможностью ввода в указанную камеру (2) окислителя в количестве, которое значительно больше, чем стехиометрическое количество для образования пара, и содержит по меньшей мере один движущий блок (5) на жидкостной основе, в который подается на входе, по меньшей мере, указанный пар для приведения во вращательное движение приводного вала (6), средства отделения и извлечения (7) для, по меньшей мере, указанного пара, находящиеся между камерой (2) и входом в движущий блок (5), и средства (8) для отвода указанного водорода, подаваемого на хранение или потребителю.

2. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства (4) подачи содержат по меньшей мере один инструмент (9), расположенный внутри указанной камеры (2) и погруженный в указанный окислитель с образованием рабочей зоны, при этом инструмент (9) связан с указанным приводным валом (6) с возможностью вращения с режущим движением, и толкающие средства (10) для ввода по меньшей мере одной заготовки (M), изготовленной из указанного топлива, в указанную камеру (2) в указанной рабочей зоне, при этом механическое воздействие инструмента (9) на заготовку (M) обеспечивает образование фрагментов указанного топлива, открытые поверхности которых несут металлические частицы, которые являются реакционно-способными по отношению к окислителю.

3. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит средства привода (11) для исходного приведения в движение указанных средств (3) ввода и/или указанных средств (4) подачи, при этом в стационарном состоянии приведение в движение средств (3) ввода и/или средств (4) подачи поддерживается механической энергией, обеспечиваемой движущим блоком (5).

4. Установка (1) по п.2, отличающаяся тем, что указанная камера (2) расположена, по существу, вдоль продольной оси (A), при этом ее первый конец (2a) и второй конец (2b) установлены взаимно противоположно и связаны жидкостным соединением соответственно с указанными средствами (3) ввода и с указанными средствами (7) отделения и извлечения.

5. Установка (1) по п.4, отличающаяся тем, что указанные средства (3) ввода содержат корпус коллектора (14), который связан с трубопроводом (15) для входящего потока указанного окислителя и жидкостным соединением с указанным первым концом (2a) и имеет, по существу, кольцеобразную форму вокруг указанной продольной оси (A) с образованием центрального отверстия, в котором расположен с возможностью герметичного прохождения насквозь указанный приводной вал (6).

6. Установка (1) по п.5, отличающаяся тем, что указанные средства (3) ввода содержат направляющую перегородку (17), которая расположена между указанным корпусом коллектора (14) и указанным первым концом (2a), с возможностью сообщения указанному окислителю движения в направлении, которое является, по существу, параллельным с продольной осью (A) по длине указанной камеры (2).

7. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что указанные средства (3) ввода и указанные средства (4) подачи выполнены непрерывно функционирующими.

8. Установка (1) по п.4, отличающаяся тем, что указанные средства (7) отделения и извлечения содержат отстойный бассейн (18), который связан жидкостным соединением с указанным вторым концом (2b) с размещенной в нем замедляющей перегородкой (19), при этом бассейн (18) имеет по меньшей мере один штуцер (18a) для выхода по меньшей мере одного из указанного водорода и указанного пара, который связан с выходом из указанного движущего блока (5), и по меньшей мере один второй штуцер (18b) для выхода по меньшей мере одного из указанного избытка окислителя и указанного оксида металла.

9. Установка (1) по п.4, отличающаяся тем, что указанный инструмент (9) расположен поблизости от указанного первого конца (2a) на указанной продольной оси (A), при этом указанные толкающие средства (10) приспособлены для ввода указанной заготовки (M) параллельно указанной продольной оси (A).

10. Установка (1) по п.8, отличающаяся тем, что указанный бассейн (18) имеет, по существу, кольцеобразную форму вокруг указанной продольной оси (A) для образования центрального отверстия, в котором расположена указанная камера (2) с отверстием для герметичного ввода указанной заготовки (M).

11. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит первые устройства теплообмена (24) для, по меньшей мере, частичного возврата тепла от, по меньшей мере, указанного пара на выходе из указанной камеры (2).

12. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит устройства (26) для перегрева, по меньшей мере, указанного пара, которые расположены выше по потоку от впуска в указанный движущий блок (5).

13. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит вторые устройства теплообмена (27), которые связаны с выпуском из указанного движущего блока (5) для, по меньшей мере, частичного возврата тепла от, по меньшей мере, указанного пара.

14. Установка (1) по п.8, отличающаяся тем, что она содержит первый узел разделения фаз (20), который связан с указанным вторым штуцером (18b) для вывода и отделения указанного избытка окислителя и указанного оксида металла, первые средства (21), оборудованные для подачи окислителя в камеру (2), средство (22) для восстановления оксида металла и вторые средства (23) для подачи металла, полученного из реакции восстановления, в камеру (2).

15. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что в указанный движущий блок (5) на входе подается указанный пар и указанный водород, при этом средства (7) отделения и извлечения приспособлены для удаления из указанной камеры (2) пара и водорода, а средства (8) отвода связаны с выпуском из движущего блока (5).

16. Установка (1) по п.14, отличающаяся тем, что она содержит второй узел разделения фаз (29), который выполнен с возможностью совместного функционирования с указанными вторыми устройствами теплообмена (27) для отделения указанного водорода от воды, полученной от конденсации указанного пара, при этом средства (7) отделения и извлечения связаны с выходом из указанного второго узла разделения фаз (29), и установка содержит третьи средства (30) для возврата конденсационной воды в камеру (2).

17. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве указанного движущего блока (5) она содержит турбину, рабочее колесо (5a) которой соединено для вращения с указанным приводным валом (6).

18. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что в качестве указанного движущего блока (5) она содержит первичный двигатель внешнего сгорания.

19. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что указанное топливо включает по меньшей мере один металл, выбранный из группы, которая включает алюминий, магний и соответствующие соединения и/или сплавы.

20. Установка (1) по п.19, отличающаяся тем, что указанное топливо состоит, по существу, из алюминия, его соединений и/или сплавов.

21. Установка (1) по п.2, отличающаяся тем, что указанная заготовка (M) имеет, по существу, удлиненную форму, при этом инструмент (9) выполнен с возможностью обработки ее конца.

22. Установка (1) по п.1, отличающаяся тем, что она содержит узел управления и контроля (31), который выполнен с возможностью обработки по меньшей мере одного из значений: тепловой энергии (P_HEAT), механической энергии (P_M) и энергии химического потенциала (P_H2), полученных из значений характеристик физических величин, установленных средствами детектирования, для сравнения указанного по меньшей мере одного установленного значения с по меньшей мере одним соответствующим заданным значением тепловой энергии $$(P_{HEAT}^{\mathrm{Re}quested})$$ , механической энергии $$(P_M^{\mathrm{Re}quested})$$ или энергии химического потенциала $$(R_{H2}^{\mathrm{Re}quested})$$ и для управления указанными устройствами ввода (3) и/или устройствами подачи (4) с возможностью получения установленного значения, которое, по существу, равно соответствующему заданному значению.

23. Способ когенерации металлсодержащего топлива, включающий стадии, на которых обеспечивают по меньшей мере один жидкостный окислитель на водной основе, подают по меньшей мере одно металлсодержащее топливо, которое является реакционно-способным в окислении указанным окислителем для образования водорода и по меньшей мере одного оксида металла, при этом указанный окислитель вводят в избытке по отношению к стехиометрическому количеству, требуемому в соответствии с указанной реакцией окисления, смешивают указанное топливо и указанный окислитель для получения указанной реакции и одновременной генерации пара из избыточного количества указанного окислителя, обрабатывают по меньшей мере один из указанного водорода и указанного пара в движущем блоке (5) на жидкостной основе для приведения во вращательное движение по меньшей мере одного приводного вала, извлекают указанный водород на выходе из указанного движущего блока (5), при этом указанные стадии представляют собой непрерывный процесс.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что он включает стадию возврата тепла из по меньшей мере одного из указанного водорода и указанного пара выше по потоку и/или ниже по потоку от прохода внутри указанного движущего блока (5).