RU180295U1 - Энергетическая установка с алюмоводородным генератором - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках, в частности дизельных двигателях, использующих в качестве компонентов топлива водород и включающих в свой состав алюмоводородные генераторы.Энергетическая установка с алюмоводородным генератором, содержащая дизель с форсунками и блоком топливных насосов, воздушный коллектор с датчиками расхода воздуха и расхода водородовоздушной смеси и системой охлаждения дизеля, и алюмоводородный генератор, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором размещен реактор с установленным в него цилиндрическим контейнером с твердым реагентом, между реактором и цилиндрическим корпусом генератора проходит змеевик охлаждения реактора, на входах и выходах змеевика установлены электроуправляемые клапаны и датчики температуры, на линии выдачи водорода в реакторе установлены электроуправляемые клапаны, датчик давления, датчик температуры и накопитель водорода с электроуправляемыми клапанами, соединенный с перепускным патрубком корпуса генератора через обводной патрубок регулировки выхода водорода, нижняя часть корпуса генератора, соединенная со сливной емкостью через электроуправляемый клапан патрубка слива водного раствора щелочи, перепускной патрубок, соединенный через электроуправляемый клапан также со сливной емкостью, которая соединена, в свою очередь, с выхлопным коллектором дизеля, согласно полезной модели дополнительно введены система контроля и управления, состоящая из последовательно соединенных блоков измерения, программного блока и блока управления, бункер для твердого реагента, шнековый дозатор с приводом и первым обратным клапаном, второй обратный клапан, который установлен на линии выхода водорода из реактора перед его накопителем, управляемый нагревательный элемент, отстойник отработанного реагента, предотстойник с боковыми патрубками и конусным дном, бак с водным раствором щелочи с расходомером и перекачивающим насосом, датчик расхода топлива, датчик частоты вращения коленчатого вала, индуктивный датчик выхода реек топливных насосов и смеситель для обогащения дизельного топлива водородом, который установлен на выходе накопителя водорода и имеет два входа подачи топлива, вход водорода и выход из смесителя, в крышке цилиндрического корпуса генератора выполнены два дополнительных патрубка для циркуляции водного раствора щелочи в реакторе, в крышке реактора выполнены удлиненные внутренние патрубки подачи водного раствора щелочи и твердого реагента, внутри реактора установлен контейнер с не менее пятью сито-фильтрами с разной степенью мелкости и размещены по уменьшению их сверху вниз, нижняя часть корпуса реактора за сито-фильтрами выполнена в виде усеченного конуса, вершина которого охватывает коническое отверстие дна цилиндрического корпуса генератора и жестко соединена с ним, в корпусе реактора в конусной части установлен запорный элемент, перед запорным элементом по бокам реактора установлены самоочищающиеся фильтры, к которым подведены боковые циркуляционные патрубки с водным раствором щелочи, которые, в свою очередь, соединены с линией подачи водного раствора щелочи из бака, на которой установлен расходомер и перекачивающий насос, а алюмоводородный генератор своим дном жестко соединен с крышкой предотстойника, в центре по вертикальной оси крышки и днища предотстойника выполнены конические отверстия, которые совмещены с коническим отверстием дна алюмоводородного генератора и между ними установлен управляемый двухходовой пружинный клапан, через боковые патрубки предотстойника и электроуправляемый клапан подается горячая вода из змеевика охлаждения реактора, коническое отверстие днища предотстойника соединено с отстойником отработанного реагента, который, в свою очередь, соединен через патрубок со сливной емкостью, а электроуправляемые клапаны установлены - первый на линии выхода водорода, который соединяет регулятор-расходомер с впускным коллектором, второй - на линии выхода водорода и соединяет регулятор-расходомер со смесителем, третий и четвертый - до и после перекачивающего насоса на линии подачи водного раствора щелочи в реактор генератора, причем все датчики контроля температуры, датчики уровня водного раствора щелочи и расхода, датчик давления в реакторе, датчик частоты вращения, индуктивный датчик и регулятор-расходомер водорода соединены через блок измерения с программным блоком, а все электроуправляемые клапаны, двухходовой пружинный клапан, привод шнекового дозатора, управляемый нагревательный элемент, запорный элемент и перекачивающий насос соединены с блоком управления.Предлагаемая энергетическая установка с алюмоводородным генератором оптимизирует совместную работу энергоустановки с алюмоводородным

Description

Полезная модель относится к энергетике и может использоваться в стационарных и транспортных энергоустановках, в частности дизельных двигателях, использующих в качестве компонентов топлива водород и включающих в свой состав алюмоводородные генераторы.

Известна энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором, содержащая электрохимический генератор со щелочными топливными элементами, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, которая соединена через электроуправляемый клапан с дозатором воды, который через электроуправляемый клапан соединен со смесителем; по крайней мере, один генератор водорода, работающий на гидролизе с твердым реагентом и содержащий контейнер с твердым реагентом, помещенный в реакционный сосуд, имеющий магистраль выдачи водорода, на которой установлены влагоотделитель и накопитель водорода, магистраль подачи жидкого регента, состоящая из емкости с концентрированным раствором щелочи, связанной через электроуправляемый клапан со смесителем, который связан с перепускной емкостью генератора водорода, теплообменник для отвода тепла реакции и пусковые нагреватели жидкости, перепускную емкость, сообщающуюся в нижней части с реакционным сосудом, магистраль наддува, магистраль подачи жидкого реагента подсоединенную к перепускной емкости, в которой размещен пусковой нагреватель, а также датчик температуры жидкости, при этом твердый реагент распределен по высоте столба жидкого реагента, реакционный сосуд и перепускная емкость выполнены в виде двух коаксиальных цилиндрических сосудов, вложенных друг в друга, а реакционный сосуд размещен внутри, контейнер с твердым реагентом выполнен в виде нескольких пластин твердого реагента с переменной шириной, которая уменьшается от верхней части пластины книзу, введены компрессор, вакуумный насос, клапан на линии выхода воздуха из вакуум-насоса, электроуправляемый клапан на линии подачи воздуха в вакуум-насос, электроуправляемый клапан на линии выхода воздуха из перепускной емкости генератора водорода, электроуправляемый клапан на линии подачи воздуха в перепускную емкость генератора водорода, электроуправляемый клапан на линии подачи щелочного раствора в перепускную емкость генератора водорода, электроуправляемый клапан на линии подачи водорода в ЭХГ, датчик давления, систему подачи воздуха и систему управления, в состав энергоустановки введена, по крайней мере, одна теплоизолированная емкость с жидкими продуктами гидролиза, гидравлически соединенная с генератором водорода магистралью с отсечным клапаном и снабженная сливным клапаном, дренажным клапаном и датчиком уровня жидкости, при этом выход системы подачи воздуха магистралью с разделительным клапаном подключен к нижней части емкости с жидкими продуктами гидролиза, вход электрохимического генератора по воздуху пневматически сообщен с воздушной подушкой этой емкости, а все клапаны и датчик уровня жидкости подключены к блоку программного управления, в энергоустановку дополнительно введены шесть электроуправляемых клапанов, расходомер водорода, два устройства для измерения концентрации, три уровнемера, датчик давления, блок обработки и анализа, блок измерения последовательно соединенный с блоком управления, и насос прокачки отработанного раствора щелочи, смеситель размещен в обогреваемой емкости со сбросом в канализацию, на вход которой подается подогретая вода из теплообменника охлаждения генератора водорода, бустерная емкость выполнена теплоизолированной, вход насоса прокачки отработанного раствора щелочи соединен через третий электроуправляемый клапан с выходом емкости жидкого продукта гидролиза, на выходе насоса установлен второй измеритель концентрации отработанного раствора щелочи, а выход насоса соединен через шестой электроуправляемый клапан со сбросом в канализацию и пятый электроуправляемый клапан - с входом в смеситель, в котором установлен первый измеритель концентрации и датчик температуры, один из выходов смесителя соединен с влагоотделителем, емкость с жидким продуктом гидролиза выполнена в нижней части конусообразной и на ее выходе стоит второй электроуправляемый клапан сброса шлама в канализацию, а на линии сброса воздуха из емкости с жидким продуктом гидролиза стоит первый электроуправляемый клапан, причем на входе в ЭХГ установлен расходомер водорода, в накопителе водорода установлен датчик давления, а на его выходе установлен четвертый электроуправляемый клапан, причем первый измеритель уровня воды установлен в дозаторе воды, второй измеритель уровня воды установлен в бустерной емкости, а третий измеритель уровня раствора щелочи установлен в реакционном сосуде генератора водорода, первый, второй и третий измерители уровня жидкости, датчик давления, расходомер водорода, измерители концентрации соединены с блоком измерения, а блок программного управления соединен со всеми шестью электроуправляемыми клапанами. [Патент РФ № 85759, МПК Н01М 8/06, С01В 3/00, опуб. 10.08.2009 БИ № 22, авторов Носырева Д.Я. и Плетнева А.И. «Энергоустановка с водородовоздушным электрохимическим генератором»].

Недостатком аналога является невозможность непрерывной работы энергетической установки ввиду затруднительной перезаправки контейнеров и малая эффективность использования в электрохимическом генераторе твердого реагента.

Известна энергоустановка с генератором водорода содержащая, по крайней мере, один генератор водорода, состоящий из цилиндрического корпуса с крышкой с перепускным патрубком, на котором установлен электроуправляемый клапан и дном цилиндрического реактора с крышкой с патрубком выдачи водорода, на котором установлены два электроуправляемых клапана, накопитель водорода с электроуправляемым клапаном, перфорированного контейнера с твердым реагентом, сливной емкости с электроуправляемым клапаном, змеевика охлаждения, энергоустановка выполнена из двигателя внутреннего сгорания или дизеля с воздушным коллектором и системой охлаждения, реактор жестко установлен через крышку корпуса генератора с зазором к его дну, контейнер с твердым реагентом установлен на дне корпуса и выполнен с горизонтальными перфорированными перегородками, между которыми размещен твердый реагент, который состоит из смеси твердой щелочи и энергоаккумулирующего материала, между реактором и корпусом генератора размещен змеевик охлаждения, который соединен с системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания или дизеля патрубком подачи и патрубком выхода охлаждающей воды, патрубок выдачи водорода соединен с воздушным коллектором двигателя, на котором установлен датчик расхода воздуха и датчик расхода водородовоздушной смеси, накопитель водорода соединен через электроуправляемый клапан с перепускным патрубком корпуса генератора, перепускной патрубок соединен через электроуправляемый клапан со сливной емкостью, патрубок выхода охлаждающей воды из генератора водорода соединен через электроуправляемый клапан со змеевиком охлаждения, выхлопная труба соединена со сливной емкостью, причем на патрубке выхода водорода установлен датчик давления и датчик температуры, на патрубке подачи охлаждающей воды из двигателя внутреннего сгорания или дизеля в змеевик охлаждения установлен расходомер воды и датчик температуры, а на патрубке выдачи охлаждающей воды установлены датчики температуры, дизельная установка с генератором водорода, контейнер который выполнен в форме конуса и установлен своим основанием на дно корпуса генератора. [Патент РФ № 104384, МПК Н01М 8/06, опуб. 10.05.2011 БИ № 13, авторы Носырев Д.Я., Плетнев А.И. «Энергоустановка с генератором водорода»].

Недостатками энергетической установки с генератором водорода являются следующие:

- взаимодействие алюминия, щелочи и воды, используемые в контейнере со множеством горизонтальных перфорированных перегородок, не позволяет длительно использовать совместную работу энергоустановки и генератора водорода в виду низкого эффекта твердофазной топохимической реакции и выделения водорода на границе раздела фаз;

- отсутствие вывода шлака алюминия (бемита) вызывает эффект торможения химической реакции и снижает количество получаемого водорода;

- низкая эффективность использования алюмоводородных технологий при различных режимах работы дизеля, что ограничивает работу энергетической установки.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом является оптимизация работы энергетической установки, при совместной работе дизеля и алюмоводородного генератора на различных режимах его работы.

Технический результат достигается тем, что в энергетическую установку с алюмоводородным генератором, содержащую дизель с форсунками и блоком топливных насосов, воздушный коллектор с датчиками расхода воздуха и расхода водородовоздушной смеси и системой охлаждения дизеля, и алюмоводородный генератор, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором размещен реактор с установленным в него цилиндрическим контейнером с твердым реагентом, между реактором и цилиндрическим корпусом генератора проходит змеевик охлаждения реактора, на входах и выходах змеевика установлены электроуправляемые клапаны и датчики температуры, на линии выдачи водорода в реакторе установлены электроуправляемые клапаны, датчик давления, датчик температуры и накопитель водорода с электроуправляемыми клапанами, соединенный с перепускным патрубком корпуса генератора через обводной патрубок регулировки выхода водорода, нижняя часть корпуса генератора, соединенная со сливной емкостью через электроуправляемый клапан патрубка слива водного раствора щелочи, перепускной патрубок, соединенный через электроуправляемый клапан также со сливной емкостью, которая соединена, в свою очередь, с выхлопным коллектором дизеля, согласно полезной модели дополнительно введены система контроля и управления, состоящая из последовательно соединенных блоков измерения, программного блока и блока управления, бункер для твердого реагента, шнековый дозатор с приводом и первым обратным клапаном, второй обратный клапан, который установлен на линии выхода водорода из реактора перед его накопителем, управляемый нагревательный элемент, отстойник отработанного реагента, предотстойник с боковыми патрубками и конусным дном, бак с водным раствором щелочи с расходомером и перекачивающим насосом, датчик расхода топлива, датчик частоты вращения коленчатого вала, индуктивный датчик выхода реек топливных насосов и смеситель для обогащения дизельного топлива водородом, который установлен на выходе накопителя водорода и имеет два входа подачи топлива, вход водорода и выход из смесителя, в крышке цилиндрического корпуса генератора выполнены два дополнительных патрубка для циркуляции водного раствора щелочи в реакторе, в крышке реактора выполнены удлиненные внутренние патрубки подачи водного раствора щелочи и твердого реагента, внутри реактора установлен контейнер с не менее пятью сито-фильтрами с разной степенью мелкости и размещены по уменьшению их сверху вниз, нижняя часть корпуса реактора за сито-фильтрами выполнена в виде усеченного конуса, вершина которого охватывает коническое отверстие дна цилиндрического корпуса генератора и жестко соединена с ним, в корпусе реактора в конусной части установлен запорный элемент, перед запорным элементом по бокам реактора установлены самоочищающиеся фильтры, к которым подведены боковые циркуляционные патрубки с водным раствором щелочи, которые, в свою очередь, соединены с линией подачи водного раствора щелочи из бака, на которой установлен расходомер и перекачивающий насос, а алюмоводородный генератор своим дном жестко соединен с крышкой предотстойника, в центре по вертикальной оси крышки и днища предотстойника выполнены конические отверстия, которые совмещены с коническим отверстием дна алюмоводородного генератора, и между ними установлен управляемый двухходовой пружинный клапан, через боковые патрубки предотстойника и электроуправляемый клапан подается горячая вода из змеевика охлаждения реактора, коническое отверстие днища предотстойника соединено с отстойником отработанного реагента, который, в свою очередь, соединен через патрубок со сливной емкостью, а электроуправляемые клапаны установлены - первый на линии выхода водорода, который соединяет регулятор-расходомер с впускным коллектором, второй - на линии выхода водорода и соединяет регулятор-расходомер со смесителем, третий и четвертый - до и после перекачивающего насоса на линии подачи водного раствора щелочи в реактор генератора, причем все датчики контроля температуры, датчики уровня водного раствора щелочи и расхода, датчик давления в реакторе, датчик частоты вращения, индуктивный датчик и регулятор-расходомер водорода соединены через блок измерения с программным блоком, а все электроуправляемые клапаны, двухходовой пружинный клапан, привод шнекового дозатора, управляемый нагревательный элемент, запорный элемент и перекачивающий насос соединены с блоком управления.

Реконструкция генератора с реактором и система контроля и управления позволяет достичь оптимизации работы алюмоводородного генератора при совместной работе с дизелем на различных режимах.

На фиг. 1 представлена схема энергетической установки с алюмоводородным генератором.

Энергетическая установка с алюмоводородным генераторов состоит: дизель 1, воздушный коллектор 2, датчик расхода воздуха 3, датчик расхода водородовоздушной смеси 4, выхлопной коллектор 5, цилиндрический корпус алюмоводородного генератора 6, крышка генератора 7, перепускной патрубок 8, электроуправляемый клапан 9, дно корпуса генератора 10, реактор генератора 11, крышка реактора 12, линия выдачи водорода 13, датчик давления водорода 14, датчик температуры водорода 15, электроуправляемые клапаны 16, 17, накопитель водорода 18, электроуправляемые клапаны 19, 20, цилиндрический контейнер 21, сито-фильтры 22, твердый реагента алюминия 23, змеевик охлаждения реактора 24, линия входа охлаждающей воды в змеевик реактора 25, электроуправляемый клапан 26, расходомер водного раствора щелочи 27, датчик температуры воды на входе в генератор 28, линия выхода горячей воды из змеевика реактора 29, электроуправляемый клапан 30, датчик температуры горячей воды из змеевика реактора 31, предотстойник 32, электроуправляемый клапан 33, сливная емкости 34, электроуправляемый клапан 35, топливные форсунки дизеля 36, блок топливных насосов дизеля 37, датчик расхода топлива 38, датчик уровня водного раствора щелочи 39, датчик температуры водного раствора щелочи 40, датчик давления на выходе из накопителя водорода 41, управляемый нагревательный элемент в цилиндрическом корпусе генератора 42, запорный элемента реактора 43, конусное основание реактора 44, патрубок предотстойника 45, конические отверстия предотстойника алюмоводородного генератора 46, бак с водным раствором щелочи 47, перекачивающий насос водного раствора щелочи 48, самоочищающиеся фильтры ректора 49, бункер с твердым реагентом (алюминия) 50, шнековый дозатор 51, привод дозатора 52, отстойник отработанного реагента 53, регулятор-расходомер водорода 54, смеситель для обогащения топлива водородом 55, первый и второй обратные клапаны 56, 57, линия подачи водного раствора щелочи 58, внутренний патрубок подачи водного раствора щелочи в реактор 59, боковые циркуляционные патрубки реактора подачи водного раствора щелочи 60, 61, патрубок подачи твердого реагента в реактор 62, обводной патрубок регулировки выхода водорода из накопителя 63, патрубок слива водного раствора щелочи из нижней цилиндрической части корпуса генератора 64, патрубок отстойника 65, линии выхода водорода после регулятора-расходомера 66, 67, электроуправляемые клапаны первый 68, второй 69, третий 70, четвертый 71, управляемый двухходовой пружинный клапан 72, датчик частоты вращения коленчатого вала дизеля 73, индуктивный датчик выхода реек топливных насосов 74, блок измерения 75, программный блок 76, блок управления 77.

Энергетическая установка с алюмоводородным генератором работает следующим образом.

Процесс подачи водорода в энергетическую установку из алюмовородного генератора осуществляется двумя способами: 1 - при работе дизеля на холостом ходу водород подается в воздушный коллектор; 2 - при работе дизеля на нагрузочных режимах, водород смешивается с топливом и обогащенное водородом дизельное топливо подается в дизель.

Запускают дизель 1, при этом электроуправляемые клапаны 16, 17, расположенные на линии выдачи водорода 13, вмонтированной в крышку реактора 12 алюмоводородного генератора, и электроуправляемый клапан 20, расположенный на обводном патрубке регулировки выхода водорода 63 из накопителя водорода 18, соединенный с алюмоводородным генератором через перепускной патрубок 8, закрываются, и одновременно открывается электроуправляемый клапан 19 для подачи водорода из накопителя водорода 18, через который начинает подаваться водород в регулятор-расходомер водорода 54. Регулятор-расходомер водорода 54 при получении сигнала о запуске дизеля 1 и о его работе на холостых оборотах, контролируемых датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля 73, устанавливает подачу водорода из накопителя водорода 18 в количестве необходимом для режима работы дизеля на холостом ходу. При этом открывается первый электроуправляемый клапан 68, расположенный на линии выхода водорода 67, которая соединяет регулятор-расходомер водорода 54 с воздушным коллектором 2, и одновременно закрывается второй электроуправляемый клапан 69, расположенный на линии выхода водорода 66, которая соединяет регулятор-расходомер водорода 54 со смесителем для обогащения дизельного топлива водородом 55. Водород начинает подаваться по линии выхода водорода 67 в воздушный коллектор 2 дизеля 1. Энергетическая установка с алюмовородным генератором начинает работать на холостом режиме.

Воздух, попадая в воздушный коллектор из атмосферы, проходит через датчик расхода воздуха 3, расположенный на воздушном коллекторе 2, смешиваясь с водородом, образует гомогенную водородовоздушную смесь и поступает в дизель 1 через датчик расхода водородовоздушной смеси 4, установленного на воздушном коллекторе 2.

Для предотвращения детонации водорода в воздушном коллекторе, водород подается в воздушный коллектор 2 в количестве не более 4% от массы воздуха, за счет настройки регулятора-расходомера водорода 54 на режиме холостого хода дизеля 1. Расход воздуха контролируется датчиком расхода воздуха 3, а расход водорода контролируется датчиком расхода водородовоздушной смеси 4, а также регулятором-расходомером водорода 54.

При изменении режима работы дизеля 1, на любом режиме его нагрузочной характеристики, происходит автоматическое переключение подачи водорода в дизель через смеситель для обогащения дизельного топлива водородом 55. При этом подача водорода в воздушный коллектор 2 прекращается, первый электроуправляемый клапан 68, расположенный на линии выхода водорода 67 закрывается, и одновременно открывается второй электроуправляемый клапан 69, расположенный на линии выхода водорода 66. Происходит автоматическая перестройка регулятора-расходомера водорода 54 на необходимый расход подачи водорода, который зависит от следующих параметров:

- частоты вращения коленчатого вала дизеля, измеряемой датчиком частоты вращения 73;

- выхода реек топливных насосов, измеряемых индуктивным датчиком 74;

- расхода воздуха, измеряемого датчиком расхода 3.

Водород начинает подаваться из накопителя водорода 18 через регулятор-расходомер водорода 54 по линии выхода водорода 66 в смеситель 55 для обогащения дизельного топлива водородом, а из него через блок топливных насосов 37 в топливные форсунки 36 дизеля 1. Контроль количества обогащенного водородом дизельного топлива осуществляется датчиком частоты вращения коленчатого вала дизеля 73, индуктивным датчиком выхода реек топливных насосов 74, размещенных на блоке топливных насосов 37 и датчиком расхода топлива 38, расположенного на линии между смесителем 55 для обогащения дизельного топлива водородом и блоком топливных насосов 37.

В зависимости от того на каком режиме работает дизель - при добавке водорода в воздушный коллектор по линии выхода водорода 67 иди на обогащенном водородом дизельном топливе, при подаче водорода через линию выхода водорода 66, выхлопные газы отводятся из дизеля 1 в выхлопной коллектор 5, откуда направляются в сливную емкость 34. Выхлопные газы, проходя через сливную емкость 34, нейтрализуются за счет отработанного раствора щелочи и выходят в атмосферу.

При запуске дизеля 1 с помощью программного блока 76, блока измерения 75 и блока управления 77, начинается проверка контроля основных параметров работы алюмоводородного генератора - уровня и температуры водного раствора щелочи с помощью датчиков 39 и 40, расположенных снаружи на боковой стороне корпуса 6 алюмоводородного генератора. При наличии отклонений от нормируемых параметров его работы, из бака с водным раствором щелочи 47 (NaOH) по линии 58 через расходомер 27 в алюмоводородный генератор подается водный раствор щелочи. При этом открывается электроуправляемый клапан 9, расположенный на перепускном патрубке 8, и происходит сброс имеющегося давления в алюмоводородном генераторе по патрубку 8 в сливную емкость 34. Электроуправляемый клапан 35, расположенный на патрубке слива водного раствора щелочи 64 из нижней цилиндрической части корпуса алюмоводородного генератора и управляемый двухходовой пружинный клапан 72, перекрывающий конические отверстия выхода шлака алюмоводородного генератора 46 и предотстойника 32, жестко соединенного с дном корпуса генератора 10, остаются закрытыми. Третий и четвертый электроуправляемые клапаны 70 и 71, расположенные на линии подачи водного раствора щелочи 58 в реактор, открываются, включается нагревательный элемент 42 генератора для подачи водного раствора щелочи NaOH, и запускается перекачивающий насос 48, который размещен между третьим и четвертым электроуправляемыми клапанами 70 и 71. При этом в реакторе открывается запорный элемент 43, который расположен на его стенке 11 перед конической его частью и через крышку 12 реактора 11, по внутреннему патрубку 59 подается водный раствор щелочи NaOH, причем патрубок 59 является продолжением линии подачи водного раствора щелочи 58 и, находится внутри реактора, заполняя реактор 11 до необходимого уровня, контролируемого датчиком уровня водного раствора щелочи 39. При заполнении реактора 11 водным раствором щелочи до необходимого уровня электроуправляемый клапан 9, расположенный на перепускном патрубке 8, а также третий 70 и четвертый 71 электроуправляемые клапаны, расположенные на линии подачи водного раствора щелочи 58 в реактор 11, закрываются и перекачивающий насос 48 останавливается. При достижении рабочей температуры водного раствора щелочи, управляемый нагревательный элемент 42 отключается, контролируемым датчиком температуры 40. Далее открывается электроуправляемый клапан 20, расположенный на обводном патрубке регулировки выхода водорода, и через открытый запорный элемент 43 в реакторе 11, его внутренняя полость с цилиндрическим контейнером 21 под давлением водного раствора щелочи заполняется до определенной высоты. После заполнения реактора 11 водным раствором щелочи запорный элемент 43 и электроуправляемый клапан 20 закрываются и алюмоводородный генератор считается подготовленным к работе.

Для начала процесса гидролиза алюминия в реакторе 11 алюмоводородного генератора начинает подаваться гранулированный твердый реагент алюминий. При этом запускается шнековый дозатор 51 с приводом 52, который установлен снаружи в верхней части реактора 11 алюмоводородного генератора и твердый реагент из бункера 50, подается через первый обратный клапан 56, расположенным на патрубке подачи твердого реагента алюминия 62 и размещенный, в свою очередь, в крышке реактора 12 в реакторе 11. Внутри цилиндрическим контейнера 21 расположены перпендикулярно его вертикальной оси не менее пяти сито-фильтров 22 разной степени мелкости, по мере уменьшения мелкости сверху вниз, необходимые для расположения и пропускания через них твердого реагента алюминия 23 и, создавая струйное движение частиц алюминия по всей рабочей высоте реактора под действием силы тяжести. При уменьшении гранул твердого реагента алюминия происходит определенная стадия гетерогенной топохимической реакции, которая улучшает взаимодействие твердых гранул алюминия с водным раствором щелочи. Гранулы твердого реагента алюминия 23 поданные на верхний сито-фильтр контейнера начинают вступать в реакцию. По мере протекания топохимической реакции размеры гранул становятся меньше и начинают проскакивать постепенно через отверстия сито-фильтра, оседая на следующем с более меньшими отверстиями сито-фильтра 22. Такой процесс происходит до достижения гранул твердого реагента алюминия последнего, самого нижнего сито-фильтра 22 с отверстиями самого мелкого диаметра, сквозь прохождения которого твердый реагент превращается в шлак (бемит) и оседает в конусном основании реактора 44 цилиндрического контейнера 21 с сито-фильтрами 22 реактора 11 алюмоводородного генератора.

Через определенное количество полученного расхода водорода, фиксируемое регулятором-расходомером водорода 54, по заложенному в программном блоке 76 алгоритму управления работой генератора, определяется необходимость вывода образованного шлака из реактора 11. По мере заполнения шлаком конусного основания 44 реактора, образованного в результате гидролиза алюминия, открывается управляемый двухходовой пружинный клапан 72. При этом его верхнее седло открывает верхнее коническое отверстие 46 предотстойника 44 реактора 11, а нижнее седло клапана 72 закрывает нижнее коническое отверстие 46 предостойника 32 алюмоводородного генератора.

Одновременно с открытием управляемого двухходового пружинного клапана 72, для предотвращения большого перепада давления в реакторе 11, закрывается электроуправляемый клапан 17 и включается перекачивающий насос 48, что позволяет создать струйный поток водного раствора щелочи по всей высоте реактора 11 путем циркуляции водного раствора щелочи снизу вверх по боковым циркуляционным патрубкам 60 и 61 реактора, образующих контур циркуляции щелочного раствора, нижняя часть которых присоединена между самым нижним сито-фильтром 22 цилиндрического контейнера 21 и конусным основанием 44 реактора. Над присоединением патрубков 60 и 61 расположены вертикальные сетчатые самоочищающиеся фильтры 49, которые не позволяют при заборе с нижней части реактора 11 водного раствора щелочи попадать частицам отработанного шлака в перекачивающий насос 48. Одновременное образование водорода в результате протекающей реакции гидролиза в реакторе и вывод шлака, постепенно увеличивает давление в верхней части реактора, что оказывает дополнительное воздействие на поверхность накопленного шлака в конусном основании 44 реактора и облегчает его выгрузку из алюмоводородного генератора.

Удаление шлака из конусного основания 44 реактора управляется двухходовым пружинным клапаном 72, который возвращается под действием имеющейся на нем возвращающей пружины в первоначальное положение, герметично закрывая верхнее коническое отверстие выхода шлака 46 алюмоводородного генератора. При этом нижнее коническое отверстие 46 нижней части предотстойника 32 открывается и заполненный в нем шлак ссыпается в отстойник 53, соединенный с предотсойником 32 алюмоводородного генератора. При этом перекачивающий насос 48 отключается, прекращая циркуляцию водного раствора щелочи NaOH в реакторе 11, и вновь открывается электроуправляемый клапан 17 для дальнейшей подачи водорода в накопитель 18. На время закрытия электроуправляемого клапана 17, водород в энергетическую установку подается из накопителя водорода 18, имеющего определенный запас водорода. Для эффективного удаления шлака из предотстойника 32, включается режим промывки. При этом кратковременно открывается электроуправляемый клапан 33, расположенный на патрубке 45 предотстойника генератора, соединяющий предостойник 32 с линией выхода горячей воды из змеевика 29 реактора, очищая внутреннюю поверхность предотстойника 32 от шлака. В днище отстойника 53 установлен патрубок отстойника 65, который присоединен к сливной емкости 34, благодаря которому вода в нем не задерживается и сливается в сливную емкость 34, что снижает нежелательную реакцию отработанного в отстойнике 53 шлака с водой и произвольного выделения водорода.

В процессе работы алюмоводородного генератора температура реакции гидролиза алюминия снижается за счет подачи воды от водяной системы дизеля в змеевик охлаждения 24 реактора, который размещен между реактором 11 и корпусом 6 алюмоводородного генератора. При пуске и прогреве дизеля 1 открываются электроуправляемые клапаны 26 и 30, расположенные соответственно на линии входа охлаждающей воды в змеевик реактора 25 из дизеля и линии выхода горячей воды из змеевика реактора 29 генератора. Пройдя через змеевик охлаждения 24 реактора, вода отводится по линии выхода горячей воды 29. На линиях 25 и 29 для контроля температуры охлаждения алюмоводородного генератора установлены датчики температуры 28 и 31 соответственно на входе и выходе воды из змеевика охлаждения.

При взаимодействии водного раствора щелочи NaOH с алюминием водород скапливается в верхней части реактора и при достижении определенного рабочего давления и температуры, измеряемыми соответственно датчиками 14 и 15, подается на линию выдачи водорода 13. При этом открывается электроуправляемый клапан 16 и водород, проходя через второй обратный клапан 57, расположенный на линии выдачи водорода 13, подается в накопитель водорода 18, откуда через открытый электроуправляемый клапан 19 и регулятор-расходомер водорода 54 в энергетическую установку.

Ввиду того, что реакция гидролиза алюминия протекает не равномерно и процесс образования водорода в реакторе 11 алюмоводородного генератора не имеет линейный характер, получаемый водород скапливается в накопителе водорода 18 небольшого объема, расположенного на линии выдачи водорода 13. В процессе работы давление водорода в реакторе 11 может изменяться. Для предотвращения попадания водорода из накопителя водорода 18 обратно в алюмоводородный генератор, на линии выдачи водорода 13 рядом с накопителем водорода 18 установлен второй обратный клапан 57.

Производительность алюмоводородного генератора напрямую взаимосвязана с режимом работы дизеля 1 и зависит от текущего давления водорода в накопителе водорода 18, которое измеряется датчиком давления 41, размещенным после накопителя водорода 18, а также от расхода водорода на соответствующем режиме работы энергетической установки, который измеряется с помощью регулятора-расходомера водорода 54.

Производительность алюмоводородного генератора может изменяться за счет изменения площади контакта водного раствора щелочи NaOH с твердым реагентом алюминием путем изменения высоты столба водного раствора щелочи в реакторе 11 алюмоводородного генератора. При этом, чем больше сито-фильтров 22 с твердым реагентом алюминия 23, распределенных по всей высоте реактора 11 погружены в водный раствор щелочи, тем будет больше площадь их контакта взаимодействия и соответственно больше выход водорода. Для этого повышается давление в корпусе 6 алюмоводородного генератора. При этом открывается запорный элемент 43 и электроуправляемый клапан 20. Подаваемый в алюмоводородный генератор водород начинает вытеснять водный раствор щелочи в его реактор 11 до необходимой высоты, после чего запорный элемент 43 и электроуправляемый клапан 20 закрываются. Также для увеличения производительности алюмоводородного генератора, в реактор 11 периодически подается твердый реагент алюминий из бункера 50, с помощью шнекового дозатора 51, вращающегося от привода 52 и попадающего в реактор 11 через первый обратный клапан 56 и патрубок подачи твердого реагента 62. Первый обратный клапан 56 служит для предотвращения попадания получаемого в алюмоводородном генераторе водорода в полость шнекового дозатора 51 и соответственно в бункер с твердым реагентом (алюминием) 50.

Подача алюминия из бункера 50 осуществляется по определенному программному алгоритму управления алюмоводородным генератором, заложенного в программный блок 76, и зависит от скорости нарастания давления водорода в реакторе 11, контролируемого датчиком давления 14, давлении водорода в накопителе водорода 18, контролируемого датчиком давления 41 и расхода водорода, контролируемого регулятором-расходомером водорода 54.

Также для увеличения или поддержания выхода водорода в установившемся режиме работы алюмоводородного генератора в реакторе 11 предусмотрен режим равномерной циркуляции водного раствора щелочи NaOH, создавая по всей высоте реактора 11 струйный поток. Для этого включается перекачивающий насос 48, что позволяет создать струйный поток водного раствора щелочи по всей высоте сверху вниз реактора 11 путем его циркуляции по боковым циркуляционным патрубкам 60 и 61 снизу вверх.

По мере достаточного наполнения накопителя водорода 18 водородом, с целью экономии расхода твердого реагента алюминия, алюмоводородный генератор может переходить в режим минимального потребления твердого реагента (алюминия), путем снижения выхода водорода до минимального значения. Для этого происходит уменьшение производительности алюмоводородного генератора до минимально возможного уровня столба водного раствора щелочи в реакторе 11. При этом диаметр корпуса 6 алюмоводородного генератора и диаметр его реактора 11 выбирается с учетом полного вытеснения водного раствора щелочи NaOH в корпус алюмоводородного генератора водорода без его вытеснения в сливную емкость 34 через перепускной патрубок 8.

Если далее необходимо снизить производительность алюмоводородного генератора открывается электроуправляемый клапан 20 и поданный ранее водород в корпус 6 вытесняется обратно в накопитель водорода 18, после чего электроуправляемый клапан 20 закрывается.

При необходимости во время работы алюмоводородного генератора часть водного раствора щелочи NaOH может сливаться в сливную емкость 34 через электроуправляемый клапан 35, расположенный на патрубке слива водного раствора щелочи 64 из нижней цилиндрической части корпуса алюмоводородного генератора.

В целом производительность алюмоводородного генератора изменяется для поддержания постоянного давления в накопителе водорода 18, которое необходимо для того, чтобы регулятор-расходомер водорода 54 осуществлял подачу водорода в широком диапазоне по отношению к массе дизельного топлива при его обогащении водородом на нагрузочных режимах энергоустановки, а также при подаче водорода в воздушный коллектор 2 на холостых оборотах работы дизеля 1.

Предлагаемая энергетическая установка с алюмоводородным генератором оптимизирует совместную работу энергоустановки с алюмоводородным генератором по всей нагрузочной характеристике дизеля, на всех режимах работы, создает экономию твердого реагента (алюминия) и соответственно подаваемого водорода в зависимости от определенного режима работы дизеля.

Claims (1)

1. Энергетическая установка с алюмоводородным генератором, содержащая дизель с форсунками и блоком топливных насосов, воздушный коллектор с датчиками расхода воздуха и расхода водородовоздушной смеси и системой охлаждения дизеля, и алюмоводородный генератор, состоящий из цилиндрического корпуса, в котором размещен реактор с установленным в него цилиндрическим контейнером с твердым реагентом, между реактором и цилиндрическим корпусом генератора проходит змеевик охлаждения реактора, на входах и выходах змеевика установлены электроуправляемые клапаны и датчики температуры, на линии выдачи водорода в реакторе установлены электроуправляемые клапаны, датчик давления, датчик температуры и накопитель водорода с электроуправляемыми клапанами, соединенный с перепускным патрубком корпуса генератора через обводной патрубок регулировки выхода водорода, нижняя часть корпуса генератора соединена со сливной емкостью через электроуправляемый клапан патрубка слива водного раствора щелочи, перепускной патрубок соединен через электроуправляемый клапан также со сливной емкостью, которая соединена, в свою очередь, с выхлопным коллектором дизеля, отличающаяся тем, что дополнительно введены система контроля и управления, состоящая из последовательно соединенных блоков измерения, программного блока и блока управления, бункер для твердого реагента, шнековый дозатор с приводом и первым обратным клапаном, второй обратный клапан, который установлен на линии выхода водорода из реактора перед его накопителем, управляемый нагревательный элемент, отстойник отработанного реагента, предотстойник с боковыми патрубками и конусным дном, бак с водным раствором щелочи с расходомером и перекачивающим насосом, датчик расхода топлива, датчик частоты вращения коленчатого вала, индуктивный датчик выхода реек топливных насосов и смеситель для обогащения дизельного топлива водородом, который установлен на выходе накопителя водорода и имеет два входа подачи топлива, вход водорода и выход из смесителя, в крышке цилиндрического корпуса генератора выполнены два дополнительных патрубка для циркуляции водного раствора щелочи в реакторе, в крышке реактора выполнены удлиненные внутренние патрубки подачи водного раствора щелочи и твердого реагента, внутри реактора установлен контейнер с не менее пятью сито-фильтрами с разной степенью мелкости и размещены по уменьшению их сверху вниз, нижняя часть корпуса реактора за сито-фильтрами выполнена в виде усеченного конуса, вершина которого охватывает коническое отверстие дна цилиндрического корпуса генератора и жестко соединена с ним, в корпусе реактора в конусной части установлен запорный элемент, перед запорным элементом по бокам реактора установлены самоочищающиеся фильтры, к которым подведены боковые циркуляционные патрубки с водным раствором щелочи, которые, в свою очередь, соединены с линией подачи водного раствора щелочи из бака, на которой установлен расходомер и перекачивающий насос, а алюмоводородный генератор своим дном жестко соединен с крышкой предотстойника, в центре по вертикальной оси крышки и днища предотстойника выполнены конические отверстия, которые совмещены с коническим отверстием дна алюмоводородного генератора и между ними установлен управляемый двухходовой пружинный клапан, через боковые патрубки предотстойника и электроуправляемый клапан подается горячая вода из змеевика охлаждения реактора, коническое отверстие днища предотстойника соединено с отстойником отработанного реагента, который, в свою очередь, соединен через патрубок со сливной емкостью, а электроуправляемые клапаны установлены - первый на линии выхода водорода, который соединяет регулятор-расходомер с впускным коллектором, второй - на линии выхода водорода и соединяет регулятор-расходомер со смесителем, третий и четвертый - до и после перекачивающего насоса на линии подачи водного раствора щелочи в реактор генератора, причем все датчики контроля температуры, датчики уровня водного раствора щелочи и расхода, датчик давления в реакторе, датчик частоты вращения, индуктивный датчик и регулятор-расходомер водорода соединены через блок измерения с программным блоком, а все электроуправляемые клапаны, двухходовой пружинный клапан, привод шнекового дозатора, управляемый нагревательный элемент, запорный элемент и перекачивающий насос соединены с блоком управления.

Images