RU2181331C1

RU2181331C1 - Submarine power plant

Info

Publication number: RU2181331C1
Application number: RU2001109421/28A
Authority: RU
Inventors: К.Ю. Игнатьев; Б.В. Никифоров; Д.М. Рубальский; В.С. Соколов; А.В. Юрин
Priority date: 2001-04-06
Filing date: 2001-04-06
Publication date: 2002-04-20

Abstract

FIELD: power plants with electrochemical generators; submarine power plants. SUBSTANCE: proposed power plant includes electrochemical generator with hydrogen- oxygen fuel elements, intermetallic, cryogenic oxygen storage unit and distilled water tank. Power plant is provided with ground aluminum bin, caustic soda solution tank, proportioner, chemical reactors, condensers-separators, filters-driers, reaction product collecting tank and hydrogen compressor for obtaining gaseous hydrogen by hydrolysis method. EFFECT: enhanced combat readiness of submarine due to use of fuel elements which may be stored for protracted period of time; enhanced maneuverability of power plant. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) дизель-электрических подводных лодок (ПЛ). The invention relates to power plants (EU) containing an electrochemical generator (ECG) with hydrogen-oxygen fuel cells, and can be used as part of the electric power system (EPS) of diesel-electric submarines (PL).

Известна ЭУ ПЛ, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и блоки хранения криогенных водорода и кислорода. (А.А. Постнов "Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами". Санкт-Петербург.: Судостроение, 1998, 2, стр.28). Known EU PL, containing connected to the ECH ECG with hydrogen-oxygen fuel cells and storage units for cryogenic hydrogen and oxygen. (A.A. Postnov "Experimental Submarine of Project 613E with Electrochemical Generators". St. Petersburg: Shipbuilding, 1998, 2, p. 28).

Недостатками аналога являются высокая стоимость и значительные потери при перевозке на большие расстояния криогенного водорода, многократный перерасход водорода при заправке криогенного блока хранения. В процессе длительного хранения имеют место значительные потери криогенного водорода и возникает необходимость непроизводительного удаления газообразного водорода. The disadvantages of the analogue are the high cost and significant losses during transportation over long distances of cryogenic hydrogen, multiple overspending of hydrogen when refueling a cryogenic storage unit. During long-term storage, significant losses of cryogenic hydrogen occur and the need arises for the unproductive removal of hydrogen gas.

Ограниченное время хранения криогенного водорода снижает боевую готовность ПЛ. Кроме того, блок хранения криогенного водорода является пожаровзрывоопасным объектом. The limited storage time of cryogenic hydrogen reduces the combat readiness of the submarine. In addition, the cryogenic hydrogen storage unit is a fire and explosion hazard facility.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой энергетической установке является ЭУ ПЛ, входящая в ЭЭС и содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, блок хранения криогенного кислорода, устройства хранения полного запаса водорода в интерметаллидных соединениях (ИМС) в виде гидрида железа и титана, способные поглощать или выделять газообразный водород. (А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин "Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран". Санкт-Петербург, Судостроение, 1994 г, с.236). The closest in technical essence to the proposed power plant is the EU PL, included in the EES and containing connected to the ECH ECG with hydrogen-oxygen fuel cells, a cryogenic oxygen storage unit, a storage device for the total supply of hydrogen in intermetallic compounds (IMS) in the form of iron hydride and titanium, capable of absorbing or releasing hydrogen gas. (A.N. Batyrev, V.D. Kosheverov, O.Yu. Leikin "Ship nuclear power plants of foreign countries". St. Petersburg, Shipbuilding, 1994, p. 236).

Недостатками прототипа являются большие масса и стоимость ИМС. Процессы поглощения и выделения водорода идут соответственно с выделением или поглощением тепла при определенных температуре и давлении. Большая масса ИМС прототипа обуславливает инерционность процессов нагревания и охлаждения в ЭУ, тепловыделения ЭХГ ограничены и не обеспечивают в режиме десорбции выделения водорода, опережающего работу ЭХГ. The disadvantages of the prototype are the large mass and cost of IC. The processes of absorption and evolution of hydrogen proceed, respectively, with the evolution or absorption of heat at certain temperatures and pressures. The large mass of prototype ICs causes the inertia of the heating and cooling processes in the EC, the heat generation of the ECG is limited and does not provide hydrogen in the desorption mode, which is ahead of the ECG.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение боевой готовности ПЛ путем использования топливных компонентов, допускающих длительное хранение без потерь, с одновременным обеспечением маневренности ЭУ. Такую возможность предоставляет устройство для получения водорода на борту ПЛ гидролизным способом с использованием ограниченных количеств ИМС для хранения только оперативного запаса водорода. The objective of the invention is to increase the combat readiness of submarines through the use of fuel components that allow long-term storage without loss, while ensuring the maneuverability of power units. This possibility is provided by a device for producing hydrogen on board a submarine by the hydrolysis method using limited amounts of IC for storing only the operational hydrogen supply.

Гидролизный способ получения водорода реализуется при помощи ряда реакций взаимодействия легких металлов (Li, Mg, Al) с водой и щелочами (LiOH, NaOH, КОН). Критериями выбора реакции являются стоимость, массовые и объемные характеристики, чистота и количество выделяющегося водорода, растворимость и нетоксичность продуктов реакции. The hydrolysis method for producing hydrogen is implemented using a series of reactions of interaction of light metals (Li, Mg, Al) with water and alkalis (LiOH, NaOH, KOH). The criteria for choosing a reaction are cost, mass and volume characteristics, purity and amount of hydrogen evolved, solubility and non-toxicity of reaction products.

Совокупности указанных требований удовлетворяет, например, реакция алюминия с раствором едкого натра с образованием растворимого и нетоксичного алюмината натрия. Реакция происходит с выделением значительного количества тепла. Повышение температуры позволяет производить водород при высокой концентрации раствора алюмината натрия и уменьшать, тем самым, объемы запасаемых реагентов и получаемых продуктов реакции. The combination of these requirements is satisfied, for example, by the reaction of aluminum with sodium hydroxide solution to form soluble and non-toxic sodium aluminate. The reaction occurs with the release of a significant amount of heat. An increase in temperature allows hydrogen to be produced at a high concentration of sodium aluminate solution and, thereby, to reduce the volumes of reagents and reaction products obtained.

Выделяющийся в химическом реакторе газообразный водород необходимо отделять от жидких продуктов реакции и очищать от загрязнения сопутствующими продуктами реакции. Hydrogen gas released in a chemical reactor must be separated from the liquid reaction products and cleaned from contamination by the accompanying reaction products.

Водород, выделяющийся в химическом реакторе, можно накапливать и очищать до кондиции необходимой ЭХГ с помощью количеств ИМС в сотни раз меньших, по сравнению с прототипом. Кроме того, тепловыделения в химическом реакторе создают дополнительный источник тепла, необходимый для осуществления режима десорбции при включении или увеличении мощности ЭХГ. Hydrogen generated in a chemical reactor can be accumulated and purified to the condition of the required ECG using amounts of ICs hundreds of times smaller than in the prototype. In addition, the heat in the chemical reactor creates an additional heat source necessary for the implementation of the desorption mode when you turn on or increase the power of the ECG.

В целях стабилизации массы ПЛ и возможности дальнейшей утилизации жидкие продукты реакции должны собираться в цистерне. Остаточно выделяющийся из них водород, желательно не дожигать, расходуя запас кислорода, а производительно использовать в ЭХГ. Реакционная вода высокой чистоты, образующаяся при работе ЭХГ, может повторно использоваться в реакции гидролиза. Желательно также производительно использовать водород, выделяющийся при продувке и из реакционной воды ЭХГ. In order to stabilize the mass of submarines and the possibility of further disposal, the liquid reaction products must be collected in a tank. It is advisable not to burn out the remaining hydrogen released from them, consuming a supply of oxygen, but to use it efficiently in ECG. High purity reaction water formed during the operation of ECG can be reused in the hydrolysis reaction. It is also desirable to use productively the hydrogen released during purging and from the reaction water of ECG.

Решение поставленной задачи с использованием устройства для получения водорода на борту ПЛ гидролизным способом достигается тем, что ЭУ ПЛ, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, соединенные с ним интерметаллидные накопители, блок хранения криогенного кислорода и цистерну с дистиллированной водой, снабжена бункером с измельченным алюминием и цистерной с раствором едкого натра. Бункер с алюминием, цистерны с раствором едкого натра и дистиллированной водой связаны с дозатором, соединенным с несколькими химическими реакторами получения водорода. Каждый химический реактор связан по газовой и жидкостной фазам со своим конденсатором-сепаратором. Все химические реакторы соединены с цистерной сбора жидких продуктов реакции. Конденсаторы-сепараторы связаны со своими фильтрами-осушителями водорода, присоединенными к своим интерметаллидным накопителям водорода. Цистерны сбора жидких продуктов реакции и дистиллированной воды совместно с ЭХГ через водородный компрессор связаны с фильтрами-осушителями водорода. The solution of the problem using the device for producing hydrogen on board the submarine by the hydrolysis method is achieved by the fact that the ES of the submarine, containing intermetallic accumulators connected to it with hydrogen-oxygen fuel cells, a cryogenic oxygen storage unit and a tank with distilled water, is equipped with hopper with crushed aluminum and a tank with sodium hydroxide solution. A hopper with aluminum, tanks with sodium hydroxide solution and distilled water are connected to a dispenser connected to several chemical reactors for hydrogen production. Each chemical reactor is connected in gas and liquid phases with its own condenser-separator. All chemical reactors are connected to a tank for collecting liquid reaction products. Condensers-separators are connected to their hydrogen desiccant filters attached to their intermetallic hydrogen storage rings. Tanks for collecting liquid reaction products and distilled water together with ECG through a hydrogen compressor are connected to hydrogen filter-driers.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежом, где показана схема ЭУ подводной лодки. The present invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the EU submarine.

Энергетическая установка подводной лодки содержит бункер с измельченным алюминием 1, цистерну с раствором едкого натра 2 и цистерну с дистиллированной водой 3, связанные с дозатором 4, который соединен с несколькими химическими реакторами 5 (на схеме ЭУ показаны только два). Каждый химический реактор 5 связан по газовой и жидкостной фазам со своим конденсатором-сепаратором 6, связанным через фильтр-осушитель водорода 7 с интерметаллидным накопителем водорода 8. Все химические реакторы 5 соединены с цистерной сбора жидких продуктов реакции 9. Интерметаллидные накопители водорода 8 присоединены к электрохимическому генератору 10. Блок хранения криогенного кислорода 11 также подсоединен к ЭХГ 10, который связан с цистерной дистиллированной воды 3 и подключен к электроэнергетической системе 12. Цистерна с дистиллированной водой 3, цистерна сбора продуктов реакции 9 и ЭХГ 10 связаны с водородным компрессором 13, который связан с фильтрами-осушителями водорода 7. The power plant of the submarine contains a hopper with crushed aluminum 1, a tank with a solution of caustic soda 2 and a tank with distilled water 3, connected to a dispenser 4, which is connected to several chemical reactors 5 (only two are shown in the EU diagram). Each chemical reactor 5 is connected in gas and liquid phases to its condenser-separator 6, connected through a hydrogen filter drier 7 to an intermetallic hydrogen storage device 8. All chemical reactors 5 are connected to a tank for collecting liquid reaction products 9. Intermetallic hydrogen storage devices 8 are connected to an electrochemical generator 10. The cryogenic oxygen storage unit 11 is also connected to an ECG 10, which is connected to a distilled water tank 3 and connected to an electric power system 12. A tank with distilled water bath water 3, the tank for the collection of reaction products 9 and ECG 10 are connected to a hydrogen compressor 13, which is connected to a filter-drier of hydrogen 7.

Работа осуществляется следующим образом. The work is as follows.

Освобождается цистерна 9 от продуктов реакции. Заправляются: бункер 1 - измельченным алюминием, цистерна 2 - раствором едкого натра, цистерна 3 - дистиллированной водой и блок хранения 11 - криогенным кислородом. Энергетическая установка герметизируется и во избежание образования взрывоопасных смесей газов из установки корабельным компрессором воздуха высокого давления удаляется воздух. С помощью дозатора 4 загружается мерными порциями алюминия, едкого натра и дистиллированной воды первый химический реактор 5. Выделившийся в реакторе при повышенных давлении и температуре водород с захваченными частицами жидкости поступает в конденсатор-сепаратор 6. Отделившаяся жидкая фаза возвращается в химический реактор 5. Водород из конденсатора-сепаратора 6 поступает через фильтр-осушитель 7 в интерметаллидный накопитель 8, который работает за счет охлаждения в режиме сорбции до практического окончания реакции, после чего химический реактор 5 осушается. Жидкая фаза, насыщенная водородом, сбрасывается в цистерну сбора продуктов реакции 9. Аналогично загружается реагентами с помощью дозатора 4 второй химический реактор 5 и начинает заполняться водородом второй интерметаллидный накопитель 8. Перед началом работы ЭХГ первый интерметаллидный накопитель водорода 8 подводом тепла переводится в режим десорбции и водород начинает поступать в ЭХГ 10. Из криогенного блока хранения 11 кислород также подается в ЭХГ, электроэнергия из которого выдается в электроэнергетическую систему 12. Реакционная вода из ЭХГ поступает в цистерну дистиллированной воды 3. После исчерпания запаса водорода в первом интерметаллидном накопителе 8 к ЭХГ подключается второй накопитель. Дальнейшая работа ЭХГ связана с цикличным чередованием работы одних химических реакторов с соответствующими интерметаллидными накопителями в режиме сорбции и других интерметаллидных накопителей водорода в режиме десорбции. Продувочный водород из ЭХГ и остаточный водород из цистерн дистиллированной воды 3 и сбора продуктов реакции 9 водородным компрессором 13 через фильтр-осушитель 7 возвращается в интерметаллидный накопитель 8, работающий в режиме сорбции. Tank 9 is freed from reaction products. Refuel: hopper 1 with crushed aluminum, tank 2 with caustic soda solution, tank 3 with distilled water and storage unit 11 with cryogenic oxygen. The power plant is sealed and in order to prevent the formation of explosive gas mixtures, air is removed from the plant by the ship's high-pressure air compressor. Using a batcher 4, the first chemical reactor 5 is loaded with measured portions of aluminum, caustic soda and distilled water 5. The hydrogen evolved in the reactor at elevated pressure and temperature enters the condenser separator 6. The separated liquid phase is returned to chemical reactor 5. Hydrogen from of the condenser-separator 6 enters through the filter dryer 7 into the intermetallic accumulator 8, which operates by cooling in the sorption mode until the reaction is practically completed, after which The reactor 5 is drained. The liquid phase saturated with hydrogen is discharged into the reaction product collection tank 9. The second chemical reactor 5 is similarly loaded with reagents using dispenser 4 and the second intermetallic accumulator 8 begins to be filled with hydrogen. hydrogen begins to flow into the ECG 10. From the cryogenic storage unit 11, oxygen is also supplied to the ECG, the electricity from which is supplied to the electric power system 12. yes from ECG enters the distilled water tank 3. After exhausting hydrogen storage intermetallic first drive 8 of the second drive is connected to the ECG. Further work of ECG is associated with the cyclic alternation of the operation of some chemical reactors with the corresponding intermetallic storage in the sorption mode and other intermetallic storage of hydrogen in the desorption mode. Purging hydrogen from ECG and residual hydrogen from distilled water tanks 3 and collecting reaction products 9 with a hydrogen compressor 13 through a filter dryer 7 returns to the intermetallic storage device 8 operating in the sorption mode.

Таким образом, предлагаемая энергетическая установка позволяет получать водород из сравнительно дешевых пожаровзрывобезопасных топливных компонентов, допускающих длительное хранение без потерь, пополнять запас дистиллированной воды реакционной водой из ЭХГ и производительно использовать водород, выделяющийся при продувке ЭХГ, а также в цистернах сбора продуктов реакции и дистиллированной воды. Цикличное использование нескольких интерметаллидных накопителей водорода обеспечивает хранение и очистку оперативного запаса водорода при небольшой, по сравнению с необходимой для хранения полного запаса водорода, массе ИМС и исключает надобность в регулировании производительности химических реакторов в зависимости от величины мощности развиваемой ЭХГ. Thus, the proposed power plant allows the production of hydrogen from relatively cheap fire and explosion-proof fuel components, allowing long-term storage without loss, replenishing the stock of distilled water with reaction water from ECG and efficiently using hydrogen released during ECG purging, as well as in tanks for collecting reaction products and distilled water . The cyclic use of several intermetallic hydrogen storage devices ensures storage and purification of the operational hydrogen supply with a small mass of IC compared to the total hydrogen storage required for storage and eliminates the need to control the performance of chemical reactors depending on the power value of the developed ECG.

Claims

1. Power plant of a submarine, containing an electrochemical generator connected to the electric power system and intermetallic hydrogen storage devices connected to it, a cryogenic oxygen storage unit and a tank with distilled water, characterized in that the installation is equipped with a hopper with ground aluminum, a tank with sodium hydroxide solution, and a tank collecting liquid reaction products, a dispenser, several chemical reactors, condenser-separators and filter-driers of hydrogen, and bunker p with ground aluminum, a tank with sodium hydroxide solution and a tank with distilled water are connected to a dispenser, which is connected to chemical reactors, each of which is connected in gas and liquid phases to its condenser-separator, connected through a filter dryer to its intermetallic hydrogen storage , and all chemical reactors are connected to the tank for the collection of reaction products.

2. The power plant of the submarine according to claim 1, characterized in that it is equipped with a hydrogen compressor, the inputs of which are connected to the outputs of the electrochemical generator, tanks for collecting reaction products and distilled water tanks, and the compressor outputs are connected to the inputs of all hydrogen filter driers.