RU2608053C1 - Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells - Google Patents
Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2608053C1 RU2608053C1 RU2015142463A RU2015142463A RU2608053C1 RU 2608053 C1 RU2608053 C1 RU 2608053C1 RU 2015142463 A RU2015142463 A RU 2015142463A RU 2015142463 A RU2015142463 A RU 2015142463A RU 2608053 C1 RU2608053 C1 RU 2608053C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat exchanger
- heat
- outlet
- pipeline
- heated air
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области создания автономных источников питания, автономного энергетического машиностроения на твердооксидных топливных элементах (ТОТЭ) для нужд станций катодной защиты при транспорте нефти и газа и предназначено для отведения отработанных технологических газов из горячего бокса энергоустановки и управления тепловой энергией, вырабатываемой энергоустановкой в процессе реализации химических реакций.The invention relates to the field of creating autonomous power sources, autonomous power engineering based on solid oxide fuel cells (SOFC) for the needs of cathodic protection stations during oil and gas transport, and is intended to divert exhaust process gases from the hot box of the power plant and control the heat energy generated by the power plant during implementation chemical reactions.
Известно устройство для теплоотвода, которое содержит оборудование с источником тепла, работающим в максимальном тепловом режиме, холодную часть и элемент для передачи тепла от оборудования к холодной части. Указанное оборудование и холодная часть разделены газовым зазором. Элемент для передачи тепла содержит, по меньшей мере, одну тепловую трубу, проходящую через зазор и контактирующую одним концом с оборудованием, а другим концом - с холодной пластиной, причем элемент для передачи тепла выполнен с возможностью ограничения тепла, передаваемого к холодной части при тепловых значениях, превышающих определенное пороговое значение, меньшее максимального значения упомянутого режима [RU 2465531, МПК F28F 13/00, дата публикации заявки 27.08.2010].A device for heat sink is known, which contains equipment with a heat source operating in maximum thermal mode, a cold part and an element for transferring heat from the equipment to the cold part. The specified equipment and the cold part are separated by a gas gap. The heat transfer element contains at least one heat pipe passing through the gap and in contact with the equipment at one end and with the cold plate at the other end, the heat transfer element being configured to limit the heat transferred to the cold part at thermal values exceeding a certain threshold value less than the maximum value of the mentioned mode [RU 2465531, IPC
Недостатком известного технического решения является неавтономность от внешних источников электроэнергии, система обеспечивает только систему отвода тепловой энергии. Наряду с этим, в тепловых трубах рабочая среда находится в герметичном замкнутом контуре, и применение такой технологии в автономном энергетическом устройстве невозможно из-за сложности конструктивной интеграции оборудования и существенного снижения безопасности всей системы в этом случае.A disadvantage of the known technical solution is the autonomy from external sources of electricity, the system provides only a system for removing thermal energy. Along with this, the working medium in heat pipes is in an airtight closed loop, and the use of such technology in an autonomous energy device is impossible due to the complexity of the structural integration of equipment and a significant reduction in the safety of the entire system in this case.
Также известно техническое решение «Энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов» (RU 2391749 C1, МПК Н01М 8/12, B64D 41/00, дата публикации 10.06.2010). Согласно изобретению энергетическая установка для самолета с использованием топливных элементов содержит систему подачи окислителя энергетической установки, включающую компрессор для сжатия атмосферного воздуха, использующую в качестве окислителя кислород воздуха. На одном валу с компрессором установлена выходная турбина, соединенная с химическим реактором трубопроводом для отвода газа от химического реактора, и дополнительная турбина, на валу которой установлен электрогенератор для выработки дополнительного электрического тока. Рабочая температура составляет 900-1000°C.Also known is the technical solution “Power plant for an aircraft using fuel cells” (RU 2391749 C1, IPC Н01М 8/12, B64D 41/00, publication date 10.06.2010). According to the invention, a power plant for an aircraft using fuel cells comprises an oxidizer supply system of a power plant, including a compressor for compressing atmospheric air, using air oxygen as an oxidizer. An output turbine is installed on one shaft with a compressor, connected to a chemical reactor by a pipeline for removing gas from the chemical reactor, and an additional turbine, on the shaft of which an electric generator is installed to generate additional electric current. Operating temperature is 900-1000 ° C.
Недостаток данного технического решения заключается в невозможности автономного старта при разогреве топливных элементов и их автономной работы в установленных режимах, при этом не описано, каким образом достигается рабочая температура. Также в качестве топлива используется авиационный керосин, что является недостатком и исключает возможность использования данного решения в распределенной стационарной энергетике для транспорта газа. Еще одним существенным недостатком данного технического решения является зависимость от внешних источников электроэнергии при пусках.The disadvantage of this technical solution is the impossibility of an autonomous start when heating the fuel cells and their autonomous operation in the set modes, while it is not described how the operating temperature is achieved. Aviation kerosene is also used as fuel, which is a disadvantage and excludes the possibility of using this solution in distributed stationary energy for gas transportation. Another significant drawback of this technical solution is the dependence on external sources of electricity during startups.
В качестве прототипа был выбран электрохимический генератор с твердым электролитом, который содержит заключенные в корпус с теплоизолирующими стенками и трубками для подвода и отвода газа рабочую камеру с батареей топливных элементов, камеру сгорания, конвертор природного газа, каналы для подачи и отвода топлива и газов, при этом конвертор природного газа установлен в рабочей камере, генератор содержит теплообменник, смонтированный в теплоизолирующих стенках, при этом канал для подачи газа-окислителя в рабочую камеру образован пространством между камерой сгорания и рабочей камерой и соединен с каналом для подачи воздуха в теплообменник, каналы для отходящих газов которого соединены с камерой сгорания. [RU 2538095, МПК Н01М 8/10, Н01М 4/88, дата публикации 10.01.2015].As a prototype, an electrochemical generator with solid electrolyte was selected, which contains a working chamber with a fuel cell battery enclosed in a housing with heat-insulating walls and tubes for supplying and discharging gas, a combustion chamber, a natural gas converter, channels for supplying and discharging fuel and gases, the natural gas converter is installed in the working chamber, the generator contains a heat exchanger mounted in heat-insulating walls, while a channel for supplying an oxidizing gas to the working chamber is formed nstvom between the combustion chamber and the working chamber and connected to a conduit for supplying air to the heat exchanger, the exhaust gas channels are connected to the combustion chamber. [RU 2538095, IPC Н01М 8/10, Н01М 4/88,
Недостатком устройства по прототипу является использование теплообменника ламельного типа, поскольку при длительной эксплуатации при высоких температурах возможно протекание и как результат смешение теплоносителя и рабочего тела, что приведет к выходу установки из строя. Кроме того, использование теплообменника ламельного типа не позволяет достичь необходимых показателей КПД. Также недостатком прототипа является то, что используется один теплообменник, что ограничивает возможность подачи нагретого воздуха в несколько элементов энергоустановки и снижает КПД устройства и установки в целом.The disadvantage of the prototype device is the use of a lamellar type heat exchanger, since during prolonged use at high temperatures, leakage and, as a result, mixing of the coolant and the working fluid are possible, which will lead to the failure of the installation. In addition, the use of a lamellar heat exchanger does not allow to achieve the necessary efficiency indicators. Another disadvantage of the prototype is that it uses one heat exchanger, which limits the possibility of supplying heated air to several elements of the power plant and reduces the efficiency of the device and the installation as a whole.
Технической задачей является создание модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах с более высоким КПД при одновременном повышении надежности.The technical task is to create a module for the removal and distribution of thermal energy of a solid-oxide fuel cell power plant with higher efficiency while improving reliability.
Технический результат - повышение КПД модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах при одновременном повышении надежности.EFFECT: increased efficiency of the module for the removal and distribution of thermal energy of a solid-oxide fuel cell power plant, while increasing reliability.
Сущность заявляемого устройства заключается в следующем.The essence of the claimed device is as follows.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах содержит расположенный в теплоизолированном корпусе теплообменник. Теплоизолированный корпус снабжен входом для продуктов реакции из горелки и выходом для выхлопных газов. В отличие от прототипа, модуль содержит второй теплообменник, расположенный в теплоизолированном корпусе последовательно первому теплообменнику и соединенный с ним посредством трубопровода. При этом теплоизолированный корпус снабжен двумя входами для подачи воздуха и двумя выходами для нагретого воздуха, вход для продуктов реакции горелки посредством трубопровода сообщен с первым теплообменником, а выход для выхлопных газов посредством трубопровода сообщен со вторым теплообменником. Первый вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через первый теплообменник с первым выходом для нагретого воздуха, а второй вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через второй теплообменник со вторым выходом для нагретого воздуха. Первый выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с катодным каналом топливной батареи, а второй выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с эжектором. Каждый теплообменник выполнен в виде трубчатого теплообменника. При этом трубы внутри теплообменника расположены равномерно, диаметр труб составляет от 0,3 до 1 см.The module for the removal and distribution of thermal energy from a solid-oxide fuel cell power plant contains a heat exchanger located in a thermally insulated housing. The heat-insulated casing is equipped with an inlet for reaction products from the burner and an outlet for exhaust gases. Unlike the prototype, the module contains a second heat exchanger located in a heat-insulated casing in series with the first heat exchanger and connected to it through a pipeline. In this case, the heat-insulated casing is equipped with two inlets for supplying air and two outlets for heated air, the inlet for the reaction products of the burner is connected via a pipeline to the first heat exchanger, and the outlet for exhaust gases through a pipeline is connected to the second heat exchanger. The first air inlet is communicated through a pipeline through a first heat exchanger to a first outlet for heated air, and the second air inlet is communicated through a conduit through a second heat exchanger to a second outlet for heated air. The first outlet for heated air is configured to connect to the cathode channel of the fuel battery, and the second outlet for heated air is configured to connect to an ejector. Each heat exchanger is made in the form of a tubular heat exchanger. In this case, the pipes inside the heat exchanger are evenly distributed, the diameter of the pipes is from 0.3 to 1 cm.
Технический результат достигается за счет увеличения количества электрической энергии на выходе путем использования двух теплообменников, при этом нагретый воздух из первого теплообменника подается в катодный канал топливной батареи одновременно с подачей нагретого воздуха из второго теплообменника в эжектор и за счет увеличения интенсивности теплопередачи путем выполнения труб теплообменника с диаметром от 0,3 до 1 см.The technical result is achieved by increasing the amount of electric energy at the outlet by using two heat exchangers, while the heated air from the first heat exchanger is supplied to the cathode channel of the fuel battery simultaneously with the supply of heated air from the second heat exchanger to the ejector and by increasing the heat transfer intensity by performing heat exchanger pipes with diameter from 0.3 to 1 cm.
Предпочтительно, горелка может быть выполнена в виде каталитической горелки, которая обеспечивает высокую температуру продуктов реакции, подаваемых на вход, и полное окисление смесей газов с малым количеством горючих компонентов. Это обеспечивает повышение КПД заявляемого модуля.Preferably, the burner can be made in the form of a catalytic burner, which provides a high temperature of the reaction products supplied to the input, and the complete oxidation of gas mixtures with a small amount of combustible components. This provides increased efficiency of the claimed module.
Второй теплообменник может быть расположен выше первого теплообменника с возможностью направления потока продуктов реакции из горелки вверх, что позволяет уменьшить сопротивление движения продуктов реакции горелки от входа для продуктов реакции из горелки до выхода для выхлопных газов. Это обеспечивает дополнительное повышение КПД заявляемого модуля за счет повышения количества выхода электрической энергии.The second heat exchanger may be located above the first heat exchanger with the possibility of directing the flow of reaction products from the burner upward, which reduces the resistance to movement of the reaction products of the burner from the inlet for the reaction products from the burner to the outlet for exhaust gases. This provides an additional increase in the efficiency of the claimed module by increasing the amount of electric energy output.
Выполнение первого выхода для нагретого воздуха с возможностью присоединения к катодному каналу топливной батареи, а второго выхода для нагретого воздуха с возможностью присоединения к эжектору позволяет повысить КПД за счет одновременного нагрева воздуха для подачи в эжектор и катодный канал топливной батареи.The implementation of the first exit for heated air with the possibility of attaching to the cathode channel of the fuel battery, and the second exit for heated air with the ability to connect to the ejector allows to increase the efficiency by simultaneously heating the air for supplying to the ejector and the cathode channel of the fuel battery.
Количество труб и их длину в первом и втором теплообменниках определяют расчетным путем в зависимости от мощности энергоустановки, к которой подключают заявляемый модуль, а также требуемой тепловой энергии для катодного канала топливной батареи и эжектора.The number of pipes and their length in the first and second heat exchangers is determined by calculation, depending on the power of the power plant to which the claimed module is connected, as well as the required thermal energy for the cathode channel of the fuel battery and ejector.
Выполнение труб теплообменника с диаметром от 0,3 до 1 см дает возможность обтекания теплоносителем труб по всей их внутренней поверхности, что позволяет исключить возникновение слепых зон с другой стороны трубы от входа потока. В результате увеличивается интенсивность теплопередачи и, как следствие, повышение КПД и надежности заявляемого модуля.The implementation of the heat exchanger pipes with a diameter of 0.3 to 1 cm allows the heat carrier to flow around the pipes along their entire inner surface, which eliminates the occurrence of blind spots on the other side of the pipe from the flow inlet. As a result, the intensity of heat transfer increases and, as a result, the increase in efficiency and reliability of the claimed module.
Выполнение труб теплообменника диаметром меньше чем 0,3 см способствует увеличению сопротивления движению потока воздуха по трубам теплообменника при распределении потока посредством прохождения через трубную доску, что может провоцировать запирание труб вихревым потоком и, как следствие, их прогорание из-за локальных перегревов, что снижает надежность и КПД.The implementation of the heat exchanger pipes with a diameter of less than 0.3 cm contributes to an increase in the resistance to the movement of the air flow through the heat exchanger pipes during the distribution of the flow by passing through the tube plate, which can cause the tubes to become blocked by the vortex flow and, as a result, their burning out due to local overheating, which reduces reliability and efficiency.
При выполнении труб теплообменника диаметром больше чем 1 см снижается эффективность теплопередачи и увеличивается количество неиспользованной тепловой энергии, что снижает КПД заявляемого модуля.When making pipes of a heat exchanger with a diameter of more than 1 cm, the heat transfer efficiency decreases and the amount of unused thermal energy increases, which reduces the efficiency of the claimed module.
Количество труб теплообменника определяется в зависимости от требуемой мощности теплообменников, предпочтительно от 30 до 250.The number of tubes of the heat exchanger is determined depending on the required capacity of the heat exchangers, preferably from 30 to 250.
Выход для выхлопных газов может быть выполнен с возможностью присоединения к радиатору. Радиатор предназначен для отопления окружающей среды, что позволяет повысить выход тепловой энергии, а следовательно, и КПД модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах.The exhaust outlet may be configured to be connected to a radiator. The radiator is designed for heating the environment, which allows to increase the output of thermal energy, and consequently, the efficiency of the module for the removal and distribution of thermal energy of a power plant based on solid oxide fuel cells.
На каждом участке трубопровода, обеспечивающего сообщение составных элементов заявляемого модуля, могут быть расположены термопары, осуществляющие измерение температуры воздуха, а на участках трубопровода между первым и вторым теплообменниками, между выходом для выхлопных газов и радиатором, на участке трубопровода, соединяющего первый выход для нагретого воздуха с эжектором или с катодным каналом топливной батареи, и на участке трубопровода, соединяющего второй выход для нагретого воздуха с эжектором или катодным каналом топливной батареи, расположены датчики измерения давления.On each section of the pipeline that provides the message of the constituent elements of the claimed module, thermocouples can be used to measure air temperature, and on sections of the pipeline between the first and second heat exchangers, between the exhaust outlet and the radiator, on the section of the pipeline connecting the first outlet for heated air with an ejector or with a cathode channel of the fuel battery, and in the pipeline connecting the second outlet for heated air with an ejector or cathode channel of the fuel batteries, pressure sensors are located.
Повышение КПД заявляемого модуля способствует повышению КПД энергоустановки на твердооксидных топливных элементах в целом.Increasing the efficiency of the claimed module improves the efficiency of a solid-oxide fuel cell power plant as a whole.
Наличие отличительных существенных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».The presence of distinctive essential features allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability criterion of "novelty."
Выполнение модуля с использованием двух теплообменников, выполненных в виде трубчатых теплообменников, сообщенных с двумя выходами для нагретого воздуха, выполненных с возможностью соединения с эжектором и катодным каналом топливной батареи, и выполнение труб теплообменника с маленьким диаметром позволяет достичь синергетического эффекта по повышению КПД модуля за счет повышения количества выхода электрической энергии модуля.The implementation of the module using two heat exchangers made in the form of tubular heat exchangers in communication with two outlets for heated air, made with the possibility of connection with the ejector and the cathode channel of the fuel battery, and the implementation of the pipes of the heat exchanger with a small diameter allows to achieve a synergistic effect to increase the efficiency of the module due to increase the amount of electrical energy output of the module.
Заявляемое изобретение может быть выполнено из известных материалов с помощью известных средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию патентоспособности «промышленная применимость».The claimed invention can be made of known materials using known means, which allows us to conclude that the claimed invention meets the patentability criterion of "industrial applicability".
Заявляемое устройство поясняется следующими чертежами.The inventive device is illustrated by the following drawings.
Фиг. 1 - принципиальная схема модуля отведения и распределения тепловой энергии.FIG. 1 is a schematic diagram of a module for the removal and distribution of thermal energy.
Фиг. 2 - модуль отведения и распределения тепловой энергии (изометрия).FIG. 2 - module for the removal and distribution of thermal energy (isometry).
Фиг. 3 - теплообменник (общий вид без верхнего основания корпуса).FIG. 3 - heat exchanger (general view without the upper base of the housing).
Фиг. 4 - теплообменник (разрез А-А).FIG. 4 - heat exchanger (section AA).
Таблица 1 - данные по обоснованию достижения синергетического эффекта.Table 1 - data on the rationale for achieving a synergistic effect.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах содержит последовательно расположенные в теплоизолированном корпусе 1 и соединенные между собой трубопроводом 2 первый теплообменник TO1 и второй теплообменник ТO2. Теплоизолированный корпус 1 снабжен входом для продуктов реакции из каталитической горелки 3, сообщенным с первым теплообменником TO1 посредством участка трубопровода А, выходом для выхлопных газов 4, сообщенным со вторым теплообменником ТO2 посредством участка трубопровода Ж, двумя входами для подачи воздуха 5 и 6 и двумя выходами для нагретого воздуха 7 и 8. Первый вход для подачи воздуха 5 сообщен посредством участков трубопровода Б и Г через первый теплообменник TO1 с первым выходом для нагретого воздуха 7, а второй вход для подачи воздуха 6 сообщен посредством участков трубопровода В и Д через второй теплообменник ТO2 со вторым выходом для нагретого воздуха 8. Второй теплообменник ТO2 расположен выше первого теплообменника TO1 с возможностью направления потока продуктов реакции из каталитической горелки (не показано на чертежах) вверх.The module for the removal and distribution of thermal energy from a solid-oxide fuel cell power plant comprises a first heat exchanger TO1 and a second heat exchanger TO2, which are sequentially located in a thermally insulated
На участке трубопровода А, между входом для продуктов реакции из горелки и первым теплообменником TO1, расположена первая термопара Т1. На участке трубопровода Б, между первым входом для подачи воздуха 5 и первым теплообменником TO1, расположена вторая термопара Т2. На участке трубопровода В, между вторым входом для подачи воздуха 6 и вторым теплообменником ТO2, расположена третья термопара Т3. На участке трубопровода Е, между первым теплообменником TO1 и вторым теплообменником ТO2, расположена четвертая термопара Т4 и датчик давления Д1. На участке трубопровода Ж, между вторым теплообменником ТO2 и выходом для выхлопных газов 4, расположена пятая термопара Т5. На участке трубопровода З, между выходом для выхлопных газов 4 и радиатором РУ, расположен датчик давления Д2. На участке трубопровода Г, соединяющем первый выход для нагретого воздуха 7 с катодным каналом топливной батареи расположена термопара Т6 и датчик давления Д3. На участке трубопровода Д, соединяющем второй выход для нагретого воздуха 8 с эжектором, расположена термопара Т7 и датчик давления Д4.On the pipeline section A, between the inlet for the reaction products from the burner and the first heat exchanger TO1, the first thermocouple T1 is located. In the pipeline section B, between the
Теплообменники TO1 и ТO2 выполнены в виде трубчатых теплообменников с диаметром труб D и количеством труб K, расположенных равномерно в шахматном порядке внутри корпуса. Каждый из теплообменников состоит из герметичного корпуса 9, снабженного патрубком для подвода теплоносителя 12 и патрубком для подвода нагреваемого агента 14, патрубком для отвода теплоносителя 13 и патрубком для отвода нагретого агента 15. Внутри корпуса закреплены две параллельно расположенные трубные доски 16, выполненные перфорированными, в соответствующих противоположных отверстиях которых (не показано на чертежах) между досками закреплены трубы 17, расположенные равномерно. Трубные доски 16 расположены перпендикулярно дну и образуют вместе с корпусом 9 камеру разбиения теплоносителя 10 и камеру смешения теплоносителя 11 соответственно. Камера разбиения теплоносителя 10 сообщена с патрубком для подвода теплоносителя 12, а камера смешения теплоносителя 11 сообщена с патрубком для отвода теплоносителя 13. При этом теплообменники TO1 и TO2 могут быть выполнены любым известным образом.Heat exchangers TO1 and TO2 are made in the form of tubular heat exchangers with a pipe diameter D and the number of pipes K arranged uniformly in a checkerboard pattern inside the housing. Each of the heat exchangers consists of a sealed
Выход для выхлопных газов 4 соединен с радиатором РУ.Exit for
Теплообменники TO1 и ТO2, а также все соединительные элементы (трубопроводы, крепления, посты для термопар) могут быть изготовлены из материала с термостойкостью до 960°C.Heat exchangers TO1 and TO2, as well as all connecting elements (pipelines, fasteners, posts for thermocouples) can be made of material with heat resistance up to 960 ° C.
Трубы 17 теплообменников TO1 и ТO2 расположены равномерно на расстоянии 1 см друг от друга.The
Трубопровод 2 и радиатор РУ могут быть изготовлены из материала термостойкостью до 400°C.
Модуль отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных установках работает следующим образом.The module for the removal and distribution of thermal energy of a power plant on solid oxide plants works as follows.
Продукты реакции из каталитической горелки через вход для продуктов реакции из каталитической горелки 3 по участку трубопровода А (термопара Т1 производит измерение температуры) поступают в камеру разбиения 10 теплообменника TO1 и через трубную доску 16 теплообменника TO1 равномерно распределяются по трубам 17 теплообменника ТО1.The reaction products from the catalytic burner through the inlet for the reaction products from the
Также по участку трубопровода Б через первый вход для подачи воздуха 5 подается воздух в теплообменник TO1 (измерение температуры поступающего воздуха происходит при помощи термопары Т2), а по участку трубопровода В через второй вход для подачи воздуха 6 подается воздух в теплообменник ТO2, измерение температуры этого поступающего воздуха происходит при помощи термопары Т3. После осуществления процесса теплообмена внутри корпуса теплообменника TO1 теплоноситель поступает через трубную доску 16 теплообменника TO1 в камеру смешения теплоносителя 11 теплообменника TO1 и через патрубок для отвода теплоносителя 13 поступает в трубопровод. По участку трубопровода Г (используя термопару Т6 и датчик давления Д3 для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно), нагретый воздух от теплообменника TO1 через первый выход для нагретого воздуха 7 подается в катодный канал топливной батареи.Also, air is supplied to the TO1 heat exchanger through a section of pipeline B through the first air inlet 5 (the temperature of the incoming air is measured using a T2 thermocouple), and air is supplied to the TO2 heat exchanger through a section of pipeline B through the
Продукты реакции из каталитической горелки 3 после осуществления процесса теплообмена в теплообменнике TO1 по участку трубопровода Ε (термопара Т4 и датчик давления Д1 используются для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно) через патрубок для подвода теплоносителя 12 теплообменника TO2 подаются в камеру разбиения теплоносителя 10 теплообменника ТO2 и через трубную доску 16 теплообменника ТO2 равномерно распределяются по трубам 17 теплообменника ТO2. После осуществления процесса теплообмена внутри корпуса теплообменника ТO2 теплоноситель поступает через трубную доску 16 теплообменника ТO2 в камеру смешения теплоносителя 11 теплообменника ТO2 и через патрубок для отвода теплоносителя 13 теплообменника ТO2 поступает в трубопровод. По участку трубопровода Д нагретый воздух из теплообменника ТO2 через второй выход для нагретого воздуха 8 подается в эжектор (термопара Т7 и датчик давления Д4 используются для измерения температуры и давления воздуха в трубопроводе соответственно) для смешения с топливным природным газом.The reaction products from the
После прохождения теплообменников TO1 и ТO2 продукты реакции из каталитической горелки находятся в температурном диапазоне 250-300°C и по участку трубопровода Ж через выход для выхлопных газов 4 направляются по участку трубопровода З в радиатор РУ.After passing the heat exchangers TO1 and TO2, the reaction products from the catalytic burner are in the temperature range of 250-300 ° C and are sent along the section of the pipeline G through the
Для подтверждения достижения технического результата были изготовлены опытные образцы.To confirm the achievement of the technical result, prototypes were made.
Примеры конкретных значений КПД в зависимости от каждого существенного признака в сравнении с устройством по прототипу представлены в Таблице 1.Examples of specific values of the efficiency depending on each essential feature in comparison with the device of the prototype are presented in Table 1.
В результате сравнения полученных значений КПД заявляемого модуля, представленных в Таблице 1, можно сделать вывод о том, что наибольший КПД достигается при использовании труб теплообменника диаметром от 0,3 до 1 смAs a result of comparing the obtained values of the efficiency of the proposed module, presented in Table 1, we can conclude that the highest efficiency is achieved when using heat exchanger tubes with a diameter of 0.3 to 1 cm
Пример 1. Устройство по прототипу.Example 1. The device of the prototype.
Пример 2. Устройство по примеру 2 содержит расположенный в теплоизолированном корпусе теплообменник. Теплоизолированный корпус снабжен входом для продуктов реакции из горелки и выходом для выхлопных газов. Дополнительно содержит второй теплообменник, расположенный в теплоизолированном корпусе последовательно первому теплообменнику и соединенный с ним посредством трубопровода. При этом теплоизолированный корпус снабжен двумя входами для подачи воздуха и двумя выходами для нагретого воздуха, вход для продуктов реакции горелки посредством трубопровода сообщен с первым теплообменником, а выход для выхлопных газов посредством трубопровода сообщен со вторым теплообменником. Первый вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через первый теплообменник с первым выходом для нагретого воздуха, а второй вход для подачи воздуха сообщен посредством трубопровода через второй теплообменник со вторым выходом для нагретого воздуха. Первый выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с катодным каналом топливной батареи, а второй выход для нагретого воздуха выполнен с возможностью соединения с эжектором. Каждый теплообменник выполнен в виде теплообменника ламельного типа.Example 2. The device of example 2 comprises a heat exchanger located in a thermally insulated housing. The heat-insulated casing is equipped with an inlet for reaction products from the burner and an outlet for exhaust gases. Additionally contains a second heat exchanger located in a heat-insulated casing in series with the first heat exchanger and connected to it through a pipeline. In this case, the heat-insulated casing is equipped with two inlets for supplying air and two outlets for heated air, the inlet for the reaction products of the burner is connected via a pipeline to the first heat exchanger, and the outlet for exhaust gases through a pipeline is connected to the second heat exchanger. The first air inlet is communicated through a pipeline through a first heat exchanger to a first outlet for heated air, and the second air inlet is communicated through a conduit through a second heat exchanger to a second outlet for heated air. The first outlet for heated air is configured to connect to the cathode channel of the fuel battery, and the second outlet for heated air is configured to connect to an ejector. Each heat exchanger is made in the form of a lamellar type heat exchanger.
Пример 3. Устройство по примеру 3 схоже с устройством по примеру 2 с отличием в том, что каждый теплообменник выполнен в виде трубчатого теплообменника с трубами диаметром от 0,3 до 1 см.Example 3. The device of example 3 is similar to the device of example 2 with the difference that each heat exchanger is made in the form of a tubular heat exchanger with pipes with a diameter of 0.3 to 1 cm.
В результате сопоставления значений КПД при использовании в заявляемом модуле каждого существенного признака по отдельности относительно значения КПД у прототипа можно сделать вывод, что максимального значения КПД можно достичь при сочетании всех существенных признаков, что дает синергетический эффект.As a result of the comparison of the efficiency values when each essential feature is used separately in the claimed module with respect to the efficiency value of the prototype, it can be concluded that the maximum efficiency value can be achieved by combining all the essential features, which gives a synergistic effect.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет достичь технического результата по повышению КПД и увеличению надежности модуля отведения и распределения тепловой энергии энергоустановки на твердооксидных топливных элементах при одновременном повышении надежности.Thus, the claimed device allows to achieve a technical result to increase efficiency and increase the reliability of the module for the removal and distribution of thermal energy of a power plant on solid oxide fuel cells with a simultaneous increase in reliability.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015142463A RU2608053C1 (en) | 2015-10-06 | 2015-10-06 | Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015142463A RU2608053C1 (en) | 2015-10-06 | 2015-10-06 | Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2608053C1 true RU2608053C1 (en) | 2017-01-13 |
Family
ID=58456009
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015142463A RU2608053C1 (en) | 2015-10-06 | 2015-10-06 | Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2608053C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008009811A1 (en) * | 2006-07-18 | 2008-01-24 | Airbus France | Heat flow device |
RU2391749C1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Aircraft power unit using fuel cells |
JP2010176939A (en) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Toshiba Corp | Power storage system, and operation method thereof |
KR20130142273A (en) * | 2012-06-19 | 2013-12-30 | 에이치앤파워(주) | Circular auto thermal reformer for solid oxide fuel cells |
RU2538095C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Electrochemical generator with solid electrolyte |
-
2015
- 2015-10-06 RU RU2015142463A patent/RU2608053C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008009811A1 (en) * | 2006-07-18 | 2008-01-24 | Airbus France | Heat flow device |
JP2010176939A (en) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Toshiba Corp | Power storage system, and operation method thereof |
RU2391749C1 (en) * | 2009-04-07 | 2010-06-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" | Aircraft power unit using fuel cells |
KR20130142273A (en) * | 2012-06-19 | 2013-12-30 | 에이치앤파워(주) | Circular auto thermal reformer for solid oxide fuel cells |
RU2538095C1 (en) * | 2013-09-13 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Electrochemical generator with solid electrolyte |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2180978C2 (en) | Power system with electrochemical converter, system with electrochemical converter, and inlet/outlet device for using with high-pressure tank | |
RU99116626A (en) | POWER SYSTEM WITH ELECTROCHEMICAL CONVERTER, SYSTEM WITH ELECTROCHEMICAL CONVERTER AND I / O DEVICE FOR USE WITH A HIGH PRESSURE RESERVOIR | |
KR970705195A (en) | Gas or steam turbine power system (ULTRA-HIGH EFFICIENCY TURBINE AND FUEL CELL COMBINATION) | |
Yen et al. | Experimental investigation of 1 kW solid oxide fuel cell system with a natural gas reformer and an exhaust gas burner | |
US9115913B1 (en) | Fluid heater | |
RU97104031A (en) | GAS TURBINE ELECTRICITY SYSTEM, ELECTRICITY SYSTEM AND ELECTROCHEMICAL CONVERTER ASSEMBLY | |
US10714783B2 (en) | Integrated fuel cell systems | |
US11335924B2 (en) | Integrated fuel cell systems | |
JP2007157479A (en) | Fuel cell | |
JP4958080B2 (en) | Fuel cell with heat shield container | |
CN103238245B (en) | Solid oxide fuel battery system and method for operation thereof | |
CA2597796A1 (en) | Method for operating fuel cells for systems that are restricted by exposure to thermal stress and fuel cell stack for carrying out said method | |
JP6776201B2 (en) | Multi-stack fuel cell system and heat exchanger assembly | |
JP5122319B2 (en) | Solid oxide fuel cell | |
JP5000867B2 (en) | Fuel cell power generation system | |
RU2608053C1 (en) | Module of removal and distribution of heat energy of power plant on solid oxide fuel cells | |
RU158590U1 (en) | DEPARTMENT AND DISTRIBUTION MODULE OF HEAT ENERGY OF POWER INSTALLATION ON SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS | |
JP4320011B2 (en) | Catalytic combustor | |
CN105992838A (en) | A system for utilizing excess heat for carrying out electrochemical reactions | |
US11462751B2 (en) | Thermally insulated housing for a heat-producing, heat-radiating device | |
PL220309B1 (en) | Fuel cells battery | |
JP5940470B2 (en) | FUEL CELL MODULE AND FUEL CELL SYSTEM INCLUDING THE SAME | |
RU2628472C1 (en) | Heating device for fluid | |
US10422522B2 (en) | Combustion module having improved operational safety and optimized thermal efficiency | |
RU2580738C1 (en) | Reactor for producing synthesis gas |