RU2777163C1 - Automated hybrid heating unit - Google Patents
Automated hybrid heating unit Download PDFInfo
- Publication number
- RU2777163C1 RU2777163C1 RU2021136020A RU2021136020A RU2777163C1 RU 2777163 C1 RU2777163 C1 RU 2777163C1 RU 2021136020 A RU2021136020 A RU 2021136020A RU 2021136020 A RU2021136020 A RU 2021136020A RU 2777163 C1 RU2777163 C1 RU 2777163C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- gas
- fuel gas
- heating
- tank
- Prior art date
Links
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 title claims abstract description 65
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims abstract description 61
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 55
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims abstract description 53
- 238000009434 installation Methods 0.000 claims abstract description 39
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 claims abstract description 32
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 5
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 4
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 3
- 231100000078 corrosive Toxicity 0.000 claims 2
- 231100001010 corrosive Toxicity 0.000 claims 2
- 239000002826 coolant Substances 0.000 abstract description 36
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 11
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 10
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 6
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Chemical compound O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 6
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 6
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 6
- MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N Nitrogen oxide Substances O=[N] MWUXSHHQAYIFBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 4
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 235000010599 Verbascum thapsus Nutrition 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 238000010926 purge Methods 0.000 description 3
- 230000000717 retained Effects 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- -1 for example Substances 0.000 description 2
- 230000000051 modifying Effects 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052813 nitrogen oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 238000001223 reverse osmosis Methods 0.000 description 2
- 102100003659 APCS Human genes 0.000 description 1
- 101710028063 APCS Proteins 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000000903 blocking Effects 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000007374 clinical diagnostic method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000005562 fading Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 239000003546 flue gas Substances 0.000 description 1
- 238000005187 foaming Methods 0.000 description 1
- 235000013305 food Nutrition 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 150000004677 hydrates Chemical class 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004681 metal hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003595 mist Substances 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000002441 reversible Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising Effects 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к области теплоэнергетики, а именно, к водяным системам теплоснабжения с замкнутым контуром циркуляции теплоносителя и может быть использовано, как в качестве самостоятельного устройства для обогрева зданий и сооружений, так и в составе более сложных систем, где требуется нагрев жидкого теплоносителя.The claimed invention relates to the field of thermal power engineering, namely, to water heating systems with a closed coolant circulation circuit and can be used both as an independent device for heating buildings and structures, and as part of more complex systems where heating of a liquid coolant is required.
Известно, что системы отопления являются основным инструментом, позволяющим создавать и поддерживать тепловые комфортные условия в зданиях и сооружениях. It is known that heating systems are the main tool that allows you to create and maintain thermal comfortable conditions in buildings and structures.
Если теплопотери велики, то теплоноситель поступает потребителю значительно охлажденным.If the heat loss is large, then the coolant enters the consumer significantly cooled.
Актуальной проблемой является эффективность глубокой утилизации тепла и влаги при циркуляции теплоносителя в замкнутой системе отопления, а также повышение КПД отопительных систем и обеспечение экологической безопасности. An urgent problem is the efficiency of deep utilization of heat and moisture during the circulation of the coolant in a closed heating system, as well as increasing the efficiency of heating systems and ensuring environmental safety.
Из предшествующего уровня техники известна стационарная отопительная котельная, которая содержит котловой контур, включающий котлы, оснащенные горелочными устройствами, циркуляционные насосы систем отопления и горячего водоснабжения, расширительные баки, сетевой контур отопления, включающий циркуляционные сетевые насосы, теплообменник, установку химической подготовки подпиточной воды, сетевой контур горячего водоснабжения, включающий загрузочные, повышающие давление и рециркуляционные насосы, теплообменник, баки-аккумуляторы, расширительные баки, аппарат магнитной обработки воды, при этом котловой контур содержит насосы внутрикотловой рециркуляции, сетевой контур отопления оборудован автоматической станцией поддержания рабочего давления в сетевом контуре, включающей группу насосов, безнапорные баки большого объема, напорные баки малого объема и автоматический клапан, при этом баки-аккумуляторы сетевого контура горячего водоснабжения выполнены в виде резервуаров и расположены один над другим в вертикальной плоскости, а на вводе в котельную дополнительно установлен сепаратор микропузырькового воздуха (патент № 133259 на полезную модель «Стационарная отопительная котельная», дата подачи 30.11.2012 г., опубликовано 10.10.2013 г.).From the prior art, a stationary heating boiler house is known, which contains a boiler circuit, including boilers equipped with burners, circulation pumps for heating and hot water systems, expansion tanks, a network heating circuit, including circulation network pumps, a heat exchanger, a chemical make-up water treatment plant, a network a hot water circuit, including loading, boosting and recirculation pumps, a heat exchanger, storage tanks, expansion tanks, a magnetic water treatment apparatus, while the boiler circuit contains in-boiler recirculation pumps, the heating network circuit is equipped with an automatic station for maintaining operating pressure in the network circuit, including a group of pumps, non-pressure tanks of large volume, pressure tanks of small volume and an automatic valve, while the storage tanks of the hot water supply network circuit are made in the form of tanks and are located one above the another in the vertical plane, and at the entrance to the boiler room, a microbubble air separator is additionally installed (patent No. 133259 for a utility model "Stationary heating boiler house", filed on November 30, 2012, published on October 10, 2013).
Известна стационарная водогрейная котельная, включающая в себя следующие агрегаты: автоматизированные водогрейные котлы с модулируемыми газовыми горелками, сетевые насосы отопления (два рабочих, два резервных), распределительные коллекторы горячего водоснабжения и системы отопления, электромагнитный сетевой фильтр обратной воды системы отопления (грязевик), сдвоенный насос горячего водоснабжени (один рабочий, один резервный), теплообменники горячего водоснабжения, а также циркуляционные насосы подачи воды из теплообменников в водогрейные котлы, насосы подпитки внутреннего и наружного контуров исходной водой, запорную арматуру, регулировочные приборы и средства КИПиА (патент № 117586 на полезную модель «Стационарная водогрейная котельная», дата подачи 02.09.2011 г., опубликовано 27.06.2012 г.).A stationary hot water boiler is known, which includes the following units: automated hot water boilers with modulated gas burners, network heating pumps (two working, two standby), distribution manifolds for hot water supply and heating systems, an electromagnetic main filter for the return water of the heating system (mud collector), dual hot water pump (one working, one standby), hot water heat exchangers, as well as circulation pumps for supplying water from heat exchangers to hot water boilers, pumps for feeding the internal and external circuits with source water, shutoff valves, adjustment devices and instrumentation and control equipment (patent No. 117586 for useful model "Stationary hot water boiler house", date of submission 02.09.2011, published 06.27.2012).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является система теплоснабжения здания, содержащая котел, источник питания, электролизер, подключенный к источнику питания, водородную горелку, устройство розжига и электроклапан, при этом устройство розжига выполнено с управляющим датчиком, вход накопителя водорода связан с электролизером, а выход - с водородной горелкой через электроклапан, регулятор электрического тока, электроклапан, накопитель водорода и управляющий датчик электрически связаны с блоком управления, причем накопитель водорода может быть выполнен на основе жидких обратимых гидратов, на основе металлогидридов, инкапсулирования (патент № 2161286 на изобретение «Система теплоснабжения здания», дата подачи 11.05.2000 г., опубликовано 27.12.2000 г.). The closest technical solution to the claimed invention is a building heat supply system containing a boiler, a power source, an electrolyzer connected to a power source, a hydrogen burner, an ignition device and an electrovalve, while the ignition device is made with a control sensor, the hydrogen storage inlet is connected to the electrolyzer, and output - with a hydrogen burner through an electrovalve, an electric current regulator, an electrovalve, a hydrogen accumulator and a control sensor are electrically connected to the control unit, and the hydrogen accumulator can be made on the basis of liquid reversible hydrates, on the basis of metal hydrides, encapsulation (patent No. 2161286 for the invention "System heating supply of the building”, date of submission 11.05.2000, published 27.12.2000).
Недостатки известных технических решений связаны с отсутствием в них возможности утилизации тепла и влаги. Это обусловлено, в частности, или обогревом теплоносителя от внешнего источника, или отсутствием возможности дополнительного отбора тепла внутри технологической цепочки замкнутой системы циркуляции теплоносителя, что негативно влияет на эффективность использования вторичного тепла и КПД отопительной установки в целом. Как правило, в известных решениях предусмотрены накопители газа, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик отопительных установок. The disadvantages of the known technical solutions are associated with the lack of the possibility of utilizing heat and moisture. This is due, in particular, to heating of the coolant from an external source, or the lack of the possibility of additional heat extraction within the technological chain of a closed coolant circulation system, which negatively affects the efficiency of using secondary heat and the efficiency of the heating installation as a whole. As a rule, in known solutions, gas accumulators are provided, which leads to a decrease in the performance of heating installations.
Помимо этого, известные отопительные системы не отвечают требованиям экологической безопасности, т.к. тип применяемого топлива, способа и качества его сгорания, а также конструктивные особенности отопительного котла и горелки не обеспечивают устранение загрязнений окружающей среды вредными веществами, чаще всего оксидами азота, образующимися в выбрасываемых в атмосферу дымовых газах.In addition, the known heating systems do not meet the requirements of environmental safety, because. the type of fuel used, the method and quality of its combustion, as well as the design features of the heating boiler and burner do not ensure the elimination of environmental pollution by harmful substances, most often nitrogen oxides, formed in flue gases emitted into the atmosphere.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности глубокой утилизации тепла и влаги, увеличении КПД установки в целом, а также повышении экологической безопасности.The technical result to which the claimed invention is directed is to increase the efficiency of deep utilization of heat and moisture, increase the efficiency of the installation as a whole, as well as increase environmental safety.
Указанный технический результат достигается тем, что автоматизированная гибридная отопительная установка, включающая, по меньшей мере, один отопительный котел, электролизер, горелку, блок управления, согласно изобретению имеет замкнутый контур и содержит связанные между собой узел потребителя; узел подготовки дистиллированной воды, подключенный к источнику гидропитания; узел выработки топливного газа, включающий, по меньшей мере, один электролизер, связанный с внешним источником электропитания и баком с электролитом, используемым для выработки топливного газа на основе электролитического разложения воды, при этом бак дополнительно снабжен теплообменником и каплеуловителем; узел предварительной подготовки топливного газа оснащен охладителем и испарителем и связан с газовым коллектором, через который очищенный и осушенный топливный газ поступает в реактор сгорания, который содержит, по меньшей мере, один отопительный котел с горелкой, выполненной с возможностью сбора конденсата, внешняя поверхность которой имеет профильную поверхность, при этом каждый из узлов оснащен электронным блоком собственной локальной автоматики со своим набором датчиков контролируемого параметра и набором алгоритмов автоматического управления, который является частью распределенной автоматизированной системы управления (АСУ), в которую они объединены.The specified technical result is achieved by the fact that the automated hybrid heating installation, including at least one heating boiler, an electrolytic cell, a burner, a control unit, according to the invention, has a closed loop and contains an interconnected consumer node; a distilled water preparation unit connected to a hydraulic power source; a fuel gas generation unit including at least one electrolyser connected to an external power supply and an electrolyte tank used to generate fuel gas based on the electrolytic decomposition of water, the tank being further provided with a heat exchanger and a mist eliminator; the fuel gas pre-treatment unit is equipped with a cooler and an evaporator and is connected to a gas collector through which the purified and dried fuel gas enters the combustion reactor, which contains at least one heating boiler with a burner configured to collect condensate, the outer surface of which has profile surface, while each of the nodes is equipped with an electronic unit of its own local automation with its own set of sensors of the controlled parameter and a set of automatic control algorithms, which is part of the distributed automated control system (ACS) in which they are combined.
Заявляемое изобретение поясняется чертежами, где The claimed invention is illustrated by drawings, where
Фиг. 1 – блок-схема автоматизированной гибридной отопительной установки;Fig. 1 - block diagram of an automated hybrid heating installation;
Фиг. 2 – принципиальная схема автоматизированной гибридной отопительной установки.Fig. 2 is a schematic diagram of an automated hybrid heating installation.
Предлагаемая к защите автоматизированная гибридная отопительная установка состоит из связанных между собой сборочными операциями основных узлов, а именно узла потребителя 1; узла подготовки воды 2, подключенного к источнику гидропитания 3; узла выработки топливного газа 4; узла предварительной подготовки топливного газа 5; реактора сгорания 6 топливного газа и автоматизированной системы управления (АСУ), связанной с внешним источником электропитания 7. Установка содержит систему трубопроводов, в том числе трубопровод для прохождения выработанного газа 8 и трубопровод теплоносителя 9. The automated hybrid heating installation proposed for protection consists of the main units interconnected by assembly operations, namely, the
Заявляемая установка относится к автоматизированным отопительным системам закрытого (замкнутого) вида, которые имеют ряд преимуществ, т.к. в них практически отсутствует испарение теплоносителя и не требуется все время держать его уровень под контролем. Принудительная циркуляция теплоносителя позволяет осуществлять его прогрев за гораздо меньшее время, при этом, соответственно, происходит передача большей тепловой энергии потребителю. Кроме того, имеется возможность применять в установке трубы меньшего диаметра, что упрощает монтаж и снижает временные и финансовые затраты на него. Благодаря герметичности системы, снижается вероятность возникновения коррозии конструктивных элементов. Срок эксплуатации выше из-за уменьшения разницы температур на выходе и входе теплоносителя. Схема закрытой системы отопления значительно экономит тепло.The inventive installation refers to automated heating systems of a closed (closed) type, which have a number of advantages, tk. there is practically no evaporation of the coolant in them and it is not required to keep its level under control all the time. Forced circulation of the coolant allows it to be heated in much less time, while, accordingly, more thermal energy is transferred to the consumer. In addition, it is possible to use pipes of a smaller diameter in the installation, which simplifies installation and reduces time and financial costs for it. Due to the tightness of the system, the likelihood of corrosion of structural elements is reduced. The service life is longer due to a decrease in the temperature difference at the outlet and inlet of the coolant. The scheme of a closed heating system saves heat significantly.
Принцип действия предлагаемой к защите автоматизированной гибридной отопительной установки основан на электролитическом разложении воды на кислород и водород в электролизерах 10 с образованием топливного газа (далее – газ) и последующим его сжиганием в реакторе сгорания 6 с получением тепловой энергии для обогрева теплоносителя и передаче ее в узел потребителя 1. Электролизеры 10 входят в состав узла выработки топливного газа 4.The principle of operation of the automated hybrid heating plant proposed for protection is based on the electrolytic decomposition of water into oxygen and hydrogen in
Перед началом работы установку подключают к внешнему источнику электропитания 7 и источнику гидропитания 3, а также узлу потребителя 1 тепла. После этого задают требуемую температуру обогрева путем введения ее значения в центральный блок управления (ЦБУ) 11, который входит в состав АСУ. Затем отопительную установку запускают.Before starting work, the installation is connected to an
В состав АСУ также входят периферийные (локальные) электронные блоки управления (ЭБУ), предназначенные для управления отдельными узлами установки и подключенные к ЦБУ 11 через сетевой шлюз 12. В частности, АСУ включает электронный блок управления реактором сгорания 13 (ЭБУ 13), электронный блок состояния 14 (ЭБС 14), электронный блок управления электролизерами 15 (ЭБУ 15). Таким образом, каждый технологический узел отопительной системы оснащен блоком собственной локальной автоматики, являющейся частью распределенной информационно-управляющей системы (АСУ), в которую они объединены. Для каждого технологического узла характерен свой набор первичных датчиков, исполнительных устройств и определённый набор алгоритмов автоматического управления. Преимуществами распределённых систем перед централизованными являются высокая надёжность, т.к. отказ одного из компонентов не приводит к отказу системы в целом; повышенное быстродействие, обусловленное параллельной работой нескольких контроллеров в системе; устойчивость к сбоям и помехам и уменьшение длины сигнальных линий; а также возможность поузлового проектирования с использованием структуры объекта управления; упрощённый порядок модернизации системы. Для каждого узла установки разработаны специальные алгоритмы диагностики, предотвращения выхода из строя и предупреждения аварийных ситуаций. Перечисленные преимущества положительно влияют на эффективность установки и ее КПД. The ACS also includes peripheral (local) electronic control units (ECU) designed to control individual units of the installation and connected to the
Количество одновременно используемых в отопительной установке электролизеров 10 определяется производственной необходимостью, зависит от требуемого объема вырабатываемого топливного газа и может составлять от 1 до n, где n ≤ 12. The number of
Каждый из электролизеров 10 связан с ЭБУ 15 через раздельный канал связи, благодаря чему обеспечивается возможность их автономной работы в соответствии с конкретными уставками. Для обеспечения надежной работы электролизеров и стабильной выработки газов в ЭБУ 15 встроен пропорционально-интегрально-дифференцирующий (ПИД) регулятор, служащий для формирования и получения управляющего сигнала необходимых точности и качества. Кроме того, применяют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) с переменной частотой. Известно, что основной причиной применения ШИМ является стремление к повышению КПД при построении вторичных источников питания электронной аппаратуры и в других узлах.Each of the
При настройке электронного блока 15, а также в процессе эксплуатации ширина импульсов и их частота могут меняться. Это позволяет оптимизировать процесс выработки топливного газа и, соответственно, регулировать мощность установки. Расстояние между импульсами подбирают при настройке электронного блока, что позволяет высвободить время для зарядки конденсаторов.When setting up the
Электролизеры 10 через отводные трубы 16 и сборочный коллектор 17 связаны с баком 18, заполненным основным объемом электролита, который предназначен для выработки топливного газа. В качестве электролита используют щелочной раствор, концентрация которого зависит от мощности установки и находится в диапазоне 5 ÷ 100 г/л дистиллированной воды. Электролит закачивается в бак 18 через заливную горловину при проведении пусконаладочных работ. С помощью химического насоса 19 обеспечивается циркуляция щелочного раствора через электролизеры 10 и фильтр 20, что отчасти способствует выталкиванию выработанного газа из электролизеров и обеспечивает повышение производительности выработки газа. Для слива отработанного электролита в баке 18 предусмотрен сбросной клапан (на чертеже не показан). Электролит из электролизеров поступает в распределительный коллектор 21.The
Бак 18 оснащен датчиками контролируемого параметра (на чертеже не показаны), подключенными через ЭБС 14 к центральному блоку управления 11. В качестве датчиков контролируемого параметра могут быть применены датчики температуры, датчики минимального и максимального уровня электролита, датчики давления, датчики аварийного отключения и т.д. Tank 18 is equipped with sensors of the monitored parameter (not shown in the drawing) connected via EBS 14 to the
На входе электролита в бак 18 установлен датчик температуры, который контролирует температуру поступающего электролита. Если температура входящего в бак 18 щелочного раствора превышает ее критическое значение, равное 65°С, ЦБУ 11 подает команду на прекращение работы установки в штатном режиме. После нормализации температуры щелочного раствора от ЦБУ 11 поступает команда на возобновление работы отопительной установки.A temperature sensor is installed at the electrolyte inlet to the
Датчик минимального уровня отслеживает снижение заданного уровня щелочного раствора. В случае уменьшения уровня раствора ниже минимально установленого ЦБУ 11 направляет команду на запуск подключенного к емкости с водой насоса 22, с помощью которого вода через фильтр 23 по гидролиниям подается в сборочный коллектор 17 и бак 18 в необходимом объеме.The minimum level sensor monitors the decrease in the set level of the alkaline solution. If the solution level decreases below the minimum set level, the CBU 11 sends a command to start the pump 22 connected to the water tank, with the help of which water is supplied through the
При достижении в баке требуемого уровня щелочного раствора датчик максимального уровня подает сигнал в ЦБУ 11, который, в свою очередь, направляет команду на прекращение работы насоса 22.When the required level of the alkaline solution in the tank is reached, the maximum level sensor sends a signal to the
Датчик давления непрерывно передает в ЦБУ 11 информацию о параметрах давления в баке 18. На основании полученных данных ЦБУ может изменить задание ЭБУ 15, касающееся величины давления. Команда на корректировку давления поступает от ПИД-регулятора после сравнения заданного значения и значения температуры, полученного с датчика. The pressure sensor continuously transmits information about the pressure parameters in the
В случае резкого скачка давления с ЭБУ 15 поступает сигнал о временном прекращении работы электролизеров и, соответственно, выработки топливного газа. После нормализации давления работа установки возобновляется. Для стабильной работы установки давление в баке 18 с электролитом должно поддерживаться в диапазоне 25-55 кПа, что позволяет отнести установку к системам низкого давления и, в свою очередь, подтверждает ее безопасность.In the event of a sudden pressure jump, ECU 15 receives a signal to temporarily stop the operation of the electrolyzers and, accordingly, the generation of fuel gas. After normalization of pressure, the operation of the installation resumes. For stable operation of the installation, the pressure in the
Преимуществом заявляемой установки является отсутствие в ней средств накопления и хранения горючих газов, что также положительно влияет на ее безопасность.The advantage of the proposed installation is the lack of means of accumulation and storage of combustible gases, which also has a positive effect on its safety.
В случае некорректной работы или неисправности ЦБУ 11 или ЭБУ 15 выработка газа ведется безконтрольно. Это приводит к увеличению давления. При достижении величины давления 100 кПа срабатывает датчик аварийного отключения, автоматически отключающий электропитание от ЭБУ 15 и подающий команду на открытие клапана сброса 24, через который газ стравливается в систему вентиляции 25.In the event of incorrect operation or malfunction of the
Бак 18 оснащен еще одним датчиком температуры, с помощью которого отслеживается температура выходящего из бака газа, который затем направляется в гидрозатвор 26, входящий в состав узла предварительной подготовки газа. При этом данные, полученные с указанного датчика, позволяют косвенно контролировать работу каплеуловителя 27, установленного в баке со стороны выхода газа из него.
Каплеуловитель выполнен в виде многослойной металлической сетки, изготовленной из коррозионностойких материалов, выдерживающих негативное воздействие разнообразных агрессивных соединений, содержащихся в выходящем из бака газовом потоке, в частности, выносимой с потоком щелочи. В качестве коррозионностойкого материала может быть использована, например, нержавеющая сталь. Каплеуловитель является конструктивным элементом, где «выпадает роса», образующаяся за счет разницы температур металлической сетки, имеющей более низкую температуру, и проходящего через нее газового потока с более высокой температурой. Таким образом происходит утилизация влаги в виде кондесата и ее возврат в общий объем щелочного раствора. The drip catcher is made in the form of a multilayer metal mesh made of corrosion-resistant materials that can withstand the negative impact of various aggressive compounds contained in the gas flow leaving the tank, in particular, carried out with the alkali flow. As a corrosion-resistant material, for example, stainless steel can be used. The drip catcher is a structural element where “dew falls out”, which is formed due to the temperature difference between the metal mesh, which has a lower temperature, and the gas flow passing through it with a higher temperature. Thus, moisture is utilized in the form of condensate and returned to the total volume of the alkaline solution.
Известно, что при влажности 5% скорость горения падает почти на 20%, что приводит к уменьшению образующегося тепла и, соответственно, к снижению КПД установки (Гельфанд Б.Е., Попов О.Е., Чайванов Б.Б. Водород: параметры горения и взрыва. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 288 с.).It is known that at a humidity of 5%, the combustion rate drops by almost 20%, which leads to a decrease in the generated heat and, accordingly, to a decrease in the efficiency of the installation (Gelfand B.E., Popov O.E., Chaivanov B.B. Hydrogen: parameters combustion and explosion. - M.: FIZMATLIT, 2008. - 288 p.).
Для поддержания постоянной температуры электролита и предотвращения ее повышения бак 18 оснащен теплообменником 28, через который проходит возвращающийся от потребителя охлажденный теплоноситель, которому передается тепло щелочного раствора. To maintain a constant temperature of the electrolyte and prevent its increase, the
Решение проблемы с перегревом щелочного раствора способствует эффективности утилизации тепла отопительной установки и повышению ее КПД в целом. При неиспользовании тепла щелочного раствора КПД электролизеров составит всего 50-55%. Температура теплоносителя, отходящего от потребителя, не должна превышать критического значения, равного 65°С.Solving the problem with overheating of the alkaline solution contributes to the efficiency of heat recovery of the heating installation and to an increase in its overall efficiency. If the heat of the alkaline solution is not used, the efficiency of electrolyzers will be only 50-55%. The temperature of the heat carrier leaving the consumer should not exceed the critical value equal to 65°C.
Данные, полученные со всех датчиков, установленных на баке 18, поступают сначала в электронный блок состояния (ЭБС) 14, а затем передаются в ЦБУ 11.The data received from all sensors installed on the
Корпус каждого электролизера 10 с торцов ограничен крышками, электрически соединенными с ЭБУ 15, который, в свою очередь, связан с внешним источником электропитания 7. Внутри каждого электролизера размещены электроды (аноды и катоды) в виде набора металлических пластин, разделенных между собой диэлектрическими прокладками. От крышки электроды также изолированы посредством диэлектрической прокладки. Напряжение, прикладываемое к крышке каждого из электролизеров, равномерно распределяется между всеми установленными в нем электродами (пластинами), например, из расчета 2 вольта /на пластину. Электрическую проводимость проходящему току обеспечивает щелочной раствор, поступивший в электролизеры из бака 18.The body of each
Аноды и катоды выполнены из нержавеющей стали, содержащей легирующие добавки, повышающие коррозионную стойкость в условиях щелочного электролита. Anodes and cathodes are made of stainless steel containing alloying additives that increase corrosion resistance in alkaline electrolyte conditions.
Электролизеры и бак для хранения электролита образуют узел выработки топливного газа.The electrolyzers and the electrolyte storage tank form a fuel gas generation unit.
Гидрозатвор 26 выполняет несколько защитных функций. The
Во-первых, столб удерживающейся в нем жидкости является препятствием для попадания и перехода пламени от факела горелки, размещенной в реакторе сгорания, в бак с электролитом.Firstly, the column of liquid retained in it is an obstacle to the entry and transition of the flame from the burner flame located in the combustion reactor into the electrolyte tank.
Во-вторых, температура воды в гидрозатворе ниже, чем температура входящего в него из бака 18 газа, что позволяет конденсировать часть влаги, поступающей из бака 18 вместе с газом. Secondly, the temperature of the water in the hydraulic seal is lower than the temperature of the gas entering it from the
В-третьих, механические загрязнения, которые попадают в гидрозатвор, оседают на его дне, а в реактор сгорания топливного газа поступает более очищенный газ. Thirdly, mechanical impurities that enter the water seal settle on its bottom, and more purified gas enters the fuel gas combustion reactor.
Помимо этого, поступающий в гидрозатвор газ, проходя через столб воды, создает в нем бурление, что приводит к разбрызгиванию жидкости по стенкам гидрозатвора и, соответственно, препятствует ее перетоку.In addition, the gas entering the hydraulic seal, passing through the water column, creates seething in it, which leads to the spraying of the liquid along the walls of the hydraulic seal and, accordingly, prevents its overflow.
Для контроля за поддержанием заданного уровня жидкости в гидрозатворе установлен датчик уровня (на чертеже не показан), подключенный к ЦБУ 11. При превышении требуемого уровня воды в гидрозатворе ЦБУ 11 подает команду на срабатывание клапана сброса 29, установленного на гидрозатворе. Открытие клапана происходит для выполнения сброса воды в приемную емкость (на чертеже не показана), из которой вода естественным образом постепенно испаряется в атмосферу.To control the maintenance of a predetermined liquid level in the hydraulic seal, a level sensor is installed (not shown in the drawing) connected to the
Заправку гидрозатвора жидкостью производят через отвод 30, снабженный съемной заглушкой. Для слива воды при проведении ремонта или замены гидрозатвора предусмотрен штуцер 31, на котором также смонтирована съемная заглушка.The hydraulic seal is filled with liquid through
Из гидрозатвора газ по трубопроводу проходит на осушку в охладитель 32 узла предварительной подготовки топливого газа. Осушку газа выполняют охлаждением, основанном на резком перепаде температур. В результате осушки при низких температурах из газа выделяется избыточная влага, которая в виде кристаллов оседает на внутренних стенках охладителя. Для увеличения поверхности теплообмена стенки охладителя выполнены в виде змеевика. Во время простоя отопительной установки конденсат, выпавший при осушке газа в виде кристаллов, тает и стекает из камеры 33 на дно охладителя, которое является первичной емкостью для сбора образовавшегося конденсата. ЦБУ 11 периодически направляет команду на открытие клапана, установленного в донной части камеры 33 для сброса конденсата в емкость, из которой влага постепенно испаряется в атмосферу.From the hydraulic seal, the gas passes through the pipeline for drying into the cooler 32 of the fuel gas pretreatment unit. Gas dehydration is performed by cooling based on a sharp temperature drop. As a result of drying at low temperatures, excess moisture is released from the gas, which settles in the form of crystals on the inner walls of the cooler. To increase the heat exchange surface, the walls of the cooler are made in the form of a coil. During the downtime of the heating installation, the condensate that precipitated during the drying of the gas in the form of crystals melts and flows from the chamber 33 to the bottom of the cooler, which is the primary container for collecting the resulting condensate.
Неосушенный газ направляется в камеру 33 с трубчатым испарителем 34, выполненных из меди или ее сплавов. Преимущества применения в качестве материала меди или ее сплавов для изготовления указанных элементов состоят в высокой теплопроводности, благоприятных физико-механических свойствах при достаточно высокой коррозионной стойкости и/или в условиях глубокого холода.Undried gas is sent to the chamber 33 with a
По трубам испарителя с помощью насоса 35 прокачивается хладагент, поглощающий тепло охлаждаемого газа. При этом температура хладагента повышается. В качестве хладагента применяют, например, фреон R404a или любой аналогичный ему хладагент, способный выдавать температуру ниже (-)25°С. Очищенный и осушенный газ после выхода из камеры 33 поднимается вверх вдоль стенок охладителя и проходит в газовый коллектор 36 реактора сгорания 6.A refrigerant is pumped through the pipes of the
Для утилизации тепла из охладителя предусмотрен конденсатор 37, в котором тепло, отбираемое у хладагента, передается теплоносителю, поступающему от узла потребителя 1. Такое конструктивное решение позволяет избавиться от использования габаритных воздушных конденсаторов с вентиляторами, а также осуществить дополнительный подогрев теплоносителя, что повышает эффективность утилизации и КПД отопительной установки.To recover heat from the cooler, a
Охладитель снабжен датчиком температуры (на чертеже не показан) для замера и контроля температуры топливного газа, циркулирующего внутри охладителя. Центральный блок управления 11 по данным, полученным с этого датчика температуры, отслеживает работу охладителя и выдает разрешение на запуск реактора сгорания 6 топливного газа. Температура внутри охладителя должна быть не менее -10°С, а во время работы возможно ее понижение до минус 30°С.The cooler is equipped with a temperature sensor (not shown) to measure and control the temperature of the fuel gas circulating inside the cooler. The
При ремонте или техническом обслуживании охладителя оставшийся в нем газ выпускают через заглушку (на чертеже не показана). When repairing or maintaining the cooler, the gas remaining in it is released through a plug (not shown in the drawing).
Для увеличения энерго-эффективности корпус реактора изготавливают из твердого пластика с низкой теплопроводностью. С внешней стороны корпус защищен теплоизоляцией.To increase energy efficiency, the reactor vessel is made of hard plastic with low thermal conductivity. From the outside, the body is protected by thermal insulation.
Реактор сгорания состоит из, по меньшей мере, одного отопительного котла 38.The combustion reactor consists of at least one
В реакторе сгорания может быть установлено от 1 до n котлов, где n ≤ 12. Управление работой всех котлов, входящих в состав реактора сгорания, осуществляется электронным блоком управления (ЭБУ) 13, подключенным к ЦБУ 11. Реактор сгорания снабжен газовым коллектором 36, регулирующим раздельную подачу очищенного и осушенного газа, поступившего из охладителя, в отопительные котлы 38.From 1 to n boilers can be installed in the combustion reactor, where n ≤ 12. The operation of all boilers that are part of the combustion reactor is controlled by an electronic control unit (ECU) 13 connected to the
Каждый из котлов оснащен системой подачи газа, содержащей клапан газа 40, огнепреградительный клапан 41, клапан обратного хода 42 и клапан подачи воздуха для тушения 43.Each of the boilers is equipped with a gas supply system containing a
Включение котла происходит по команде, направляемой в ЭБУ 13 от ЦБУ 11. После поступления команды на включение котла начинается процесс розжига пламени. Для этого сначала открывается клапан подачи воздуха для тушения 43 и одновременно с этим в камеру сгорания 44, размещенную внутри корпуса отопительного котла, из ресивера 45 по трубопроводу подается сжатый воздух для продувки камеры сгорания. Для повышения теплоотдачи проходящему теплоносителю корпус камеры сгорания выполнен профильным, например, с внешним оребрением.The boiler is turned on by a command sent to the
После продувки камеры сгорания 44 клапан подачи воздуха для тушения 43 закрывается, и открывается клапан подачи газа 40, через который по тому же трубопроводу в горелку 47 с соплом и свечой поступает очищенный и осушенный топливный газ. Горелка расположена под соразмерным ей отверстием, выполненным в камере сгорания. After purging the
Одновременно с открытием клапана газа 40 в ЭБУ 13 срабатывает трансформатор поджига (на чертеже не показан), подающий высокое напряжение на свечу горелки. Свеча поджигает поступивший газ и в горелке появляется факел, наличие которого регистрирует датчик пламени 48. В случае затухания факела ЭБУ 13 направляет команду на закрытие клапана газа 40 и, соответственно, на прекращение подачи газа. После этого автоматически выполняется повторный поджиг. Simultaneously with the opening of the
Огнепреградительный клапан 41 является защитным элементом, предотвращающим возгорание топливного газа внутри трубопровода подачи газа.The
Горелка 47 выполнена с возможностью сбора конденсата, стекающего из камеры сгорания и образующегося при охлаждении как самой горелки, так и ее сопла, установленного на стойке. Для поддержания постоянной температуры горения необходимо поддерживать постоянный уровень образующегося конденсата. Излишки конденсата стекают в коллектор сбора 49.
Горелки котлов запускаются в работу поочередно.The burners of the boilers are put into operation one by one.
Для обеспечения стабильного горения факела необходимо дополнительное охлаждения горелки. Для этого внешняя поверхность горелки выполнена профильной, например, ребристой. Охлаждение горелки защищает ее не только от самозатухания, но и обеспечивает более стабильное горение факела, что, в свою очередь, положительно влияет на сохранение постоянной температуры теплоносителя, утилизацию тепла и КПД установки.To ensure stable combustion of the torch, additional cooling of the burner is necessary. To do this, the outer surface of the burner is made profile, for example, ribbed. Cooling the burner not only protects it from self-extinguishing, but also ensures more stable flame combustion, which, in turn, has a positive effect on maintaining a constant coolant temperature, heat recovery and plant efficiency.
В зависимости от объема поступающего в реактор топливного газа рассчитывают параметры камеры сгорания, диаметр сопла горелки и объем образующегося конденсата.Depending on the volume of fuel gas entering the reactor, the parameters of the combustion chamber, the diameter of the burner nozzle, and the volume of condensate formed are calculated.
Конструктивные элементы реактора сгорания выполнены из антикоррозионного металла, выбранного с учетом вида теплоносителя, который циркулирует. Так, например, в качестве материала для трубопроводов, по которым циркулирует вода, может быть использована пищевая нержавеющая сталь, например, марки AISI-316L, или иные материалы, устойчивые к воде. Для изготовления корпуса реактора может быть применен полипропилен.Structural elements of the combustion reactor are made of anti-corrosion metal, selected taking into account the type of coolant that circulates. So, for example, as a material for pipelines through which water circulates, food grade stainless steel, for example, AISI-316L, or other materials resistant to water can be used. Polypropylene can be used to make the reactor vessel.
Камера сгорания 44 выполнена герметичной в виде полого замкнутого объема. Для выравнивания давления с атмосферой в камере сгорания дополнительно выполнено сквозное отверстие, через которое во время продувки выходит воздух. После этого происходит поджиг. Остатки воздуха в камере выгорают с образованием диоксида азота. Но с учетом того, что объем камеры сгорания небольшой, содержание диоксида азота будет минимальным. В процессе горения давление в камере повышается. Излишки давления стравливаются через это же сквозное отверстие, тем самым, преграждая путь для поступления атмосферного воздуха. Благодаря этому факел горелки не вступает в химические реакции с воздухом, в частности, с содержащимся в нем азотом, что исключает образование в процессе горения вредных соединений, таких как оксид и диоксид азота, что делает заявляемую установку более экологически безопасной.The
Уравнение реакции горения водородно-кислородной топливной смеси можно записать следующим образом: The equation for the combustion reaction of a hydrogen-oxygen fuel mixture can be written as follows:
2Н2+О2=2Н2О+573кДж (1)2H2+O2=2H2O+573kJ (1)
Цепная реакция горения смеси следующая:The chain reaction of combustion of the mixture is as follows:
Связи H-O в молекулах OH обладают низкой энергией, в сравнении со связями H-H и О=О в молекулах водорода Н2 и кислорода О2. Энергия вносится трансформатором поджига. H-O bonds in OH molecules have low energy compared to H-H and O=O bonds in H2 hydrogen and O2 oxygen molecules. Energy is supplied by an ignition transformer.
Поэтому основной реакцией запуска будет формула: Therefore, the main launch reaction will be the formula:
М*+Н2=Н +ОН +М (2)M*+H2=H+OH+M (2)
После этого начинается цепная реакция с поглощением и выделением тепла:After that, a chain reaction begins with the absorption and release of heat:
Реакция горения {ОН +Н2→Н2О +НН +О2 →ОН +О (3)Combustion reaction {OH + H2 → H2O + HH + O2 → OH + O (3)
Разветвление цепи О+Н2→ОН +Н (4)Chain branching О+Н2→ОН +Н (4)
Завершение цепи ОН+Н →Н2О (5).Completion of the OH+H → H2O chain (5).
В результате всех протекающих реакций продуктами горения водородно-кислородных смесей будет тепло в количестве 573кДж и чистая дистиллированная вода, что повышает экологическую безопасность заявляемой отопительной установки.As a result of all occurring reactions, the products of combustion of hydrogen-oxygen mixtures will be heat in the amount of 573 kJ and pure distilled water, which increases the environmental safety of the proposed heating installation.
Герметичный корпус каждого котла ограничен верхней и нижней крышками, которые снабжены соответственно выходным и входным патрубками (на чертеже не показаны). Через входной патрубок поступает холодный теплоноситель, который, соприкасаясь с внешней поверхностью камеры сгорания, забирает от нее тепло и проходит к выходному патрубку.The sealed body of each boiler is limited by the top and bottom covers, which are provided with outlet and inlet pipes, respectively (not shown in the drawing). A cold coolant enters through the inlet pipe, which, in contact with the outer surface of the combustion chamber, takes heat from it and passes to the outlet pipe.
Все котлы, входящие в состав реактора сгорания, механически соединены между собой через трубопроводы, при этом соединение котлов может быть параллельным, или последовательным, или смешанным. Котлы могут быть разделены на несколько контуров отопления. All boilers that are part of the combustion reactor are mechanically connected to each other through pipelines, while the connection of the boilers can be parallel, or series, or mixed. Boilers can be divided into several heating circuits.
По мере прохождения теплоносителя через отопительные котлы его температура повышается. В случае использования воды в качестве теплоносителя на выходе из установки ее температура может достигать 95°С.As the coolant passes through the heating boilers, its temperature rises. In the case of using water as a heat carrier at the outlet of the installation, its temperature can reach 95°C.
Реактор сгорания оснащен датчиками (на чертеже не показаны), контролирующими его состояние и параметры работы. Датчики подключены к ЦБУ 11.The combustion reactor is equipped with sensors (not shown in the drawing) that monitor its condition and operating parameters. Sensors are connected to
Так, например, датчики температуры, установленные на входе и выходе реактора сгорания отслеживают температуру соответственно поступающего в него теплоносителя и выходящего из него в сторону потребителя.So, for example, temperature sensors installed at the inlet and outlet of the combustion reactor monitor the temperature of the coolant entering it and leaving it towards the consumer, respectively.
Для контроля скорости движения теплоносителя установлен датчик протока. Если скорость падает ниже заданного значения или вообще отсутствует, ЦБУ 11 автоматически останавливает работу отопительной установки в штатном режиме и выдает информацию об ошибке. Если контуров котлов несколько, то отключается только тот контур, в котором сработал датчик протока.A flow sensor is installed to control the speed of the coolant. If the speed falls below the set value or is absent at all, the
Датчик давления газа, которым снабжен газовый коллектор 36, измеряет давление топливного газа. Если давление ниже или выше заданного значения, ЦБУ останавливает работу отопительной установки. По показаниям данного датчика выполняют включение котлов.The gas pressure sensor provided with the
Датчик давления сжатого воздуха контролирует текущее давление воздуха. Если давление ниже заданного значения или отсутствует, ЦБУ включает компрессор 51 для нагнетания давления в ресивере 45. Для предотвращения попадания пыли в компрессор 51 и ресивер 45 на входе компрессора установлен фильтр 52. Сжатый воздух из ресивера по трубопроводу поступает на клапан подачи воздуха для тушения.The compressed air pressure sensor monitors the current air pressure. If the pressure is below the set value or is absent, the CBU turns on the
Для создания напора давление в ресивере должно быть в 2-3 раза выше рабочего давления газа.To create pressure, the pressure in the receiver must be 2-3 times higher than the working pressure of the gas.
Во время работы реактора сгорания непрерывно вырабатывается конденсат, который из коллектора сбора воды стекает в накопительную емкость (на чертеже ВОДА), оснащенную датчиком, который подает сигнал ЦБУ 11 о ее переполнении. После получения сигнала о переполнении емкости по команде ЦБУ 11 включается насос 22, откачивающий воду, которая по гидротрубопроводу через фильтр обратного осмоса 23 подается в сборочный коллектор 17. Применяют фильтр обратного осмоса. Удаленные загрязнения сбрасываются в емкость (на чертеже не показана). Если воды в системе не хватает, то по команде, поступившей от ЦБУ 11, открывается клапан и вода начинает поступать от источника подачи фильтрованной воды 3. During operation of the combustion reactor, condensate is continuously produced, which flows from the water collection manifold into a storage tank (WATER in the drawing) equipped with a sensor that signals the
Охлажденный теплоноситель от узла потребителя 1 поступает в конденсатор 37 и забирает тепло у потока, выходящего из охладителя. Далее теплоноситель направляется через циркуляционный насос 54 в теплообменник 28, установленный в баке 18, и утилизирует тепло электролита, после чего поступает в реактор сгорания, последовательно, проходя через все отопительные котлы, в которых нагревается и снова поступает потребителю.The cooled coolant from the
С учетом того, что теплоноситель при нагревании расширяется и, соответственно, его объем увеличивается, то для приема избытка теплоносителя в конструкции предусмотрен расширительный бачок 55. Постоянное изменение температуры теплоносителя при циркуляции внутри замкнутого контура позволяет в результате поддерживать давление теплоносителя на одном уровне. Если давление увеличивается, то с помощью механического клапана 56 происходит сброс теплоносителя в емкость 57. Taking into account the fact that the coolant expands when heated and, accordingly, its volume increases, an
На выходе из реактора сгорания установлено термореле 58, настроенное на максимальную температуру теплоносителя. При превышении заданной температуры термореле 58 срабатывает и отключает реактор сгорания и ЭБУ15 от электропитания, тем самым предотвращая перегрев теплоносителя.
В заявляемой автоматизированной гибридной отопительной установке локальные электронные блоки управления и центральный блок управления соединены между собой посредством высокоскоростного интерфейса Industrial Ethernet. Центром обмена информации является промышленный сетевой шлюз 12, коммутирующий полученные данные и обеспечивающий возможность обмена информацией между узлом потребителя и отопительной установкой.In the inventive automated hybrid heating system, the local electronic control units and the central control unit are interconnected via a high-speed Industrial Ethernet interface. The information exchange center is an
В случае подключения сетевого шлюза и домашнего WiFi роутера 59, потребитель может управлять отопительной установкой с помощью мобильного приложения и получать оповещения о статусе ее работы, ошибках, а также отчеты о расходе ресурсов.If a network gateway and a
С помощью сетевого шлюза и интернет-канала имеется возможность подключения установки по защищённому каналу VPN к внешнему серверу производителя, что позволяет регистрировать сбои и поломки установки в режиме реального времени, а также получать информацию о работе установки для ее дальнейшей модернизации и улучшения качества. Если установка используется на промышленном предприятии, ее можно подключить к сети АСУТП предприятия для централизованного контроля за ней специалистами предприятия.Using a network gateway and an Internet channel, it is possible to connect the unit via a secure VPN channel to an external server of the manufacturer, which allows you to register failures and breakdowns of the unit in real time, as well as receive information about the operation of the unit for its further modernization and quality improvement. If the installation is used in an industrial enterprise, it can be connected to the enterprise's APCS network for centralized control over it by the enterprise's specialists.
Изобретение осуществляется следующим образом.The invention is carried out as follows.
Реализация всех процессов, происходящих внутри установки, а также последовательность и режимы их выполнения осуществляются автоматически в соответствии с контентом и командами, поступающими от центрального блока управления (ЦБУ) 11. После подключения всех узлов и запуска отопительной установки ЦБУ 11 выдает задание на электронный блок управления ЭБУ 15, который через раздельные каналы связи запускает процессы электролитического разложения воды на кислород и водород в электролизерах 10. Возможность раздельного функционирования каждого из электролизеров обеспечивает их автономную работу в соответствии с конкретными уставками электронных блоков управления 11 и 15. The implementation of all processes occurring inside the installation, as well as the sequence and modes of their execution are carried out automatically in accordance with the content and commands coming from the central control unit (CCU) 11. After connecting all the nodes and starting the heating installation, the
Топливный газ получают следующим образом. Включают химический насос 19, с помощью которого создается напор и движение электролита из бака 18. При перемещении электролит проходит через фильтр 20, очищаясь от механических загрязнений. В электролизерах после включении и воздействия импульсного электротока происходит электролиз воды, содержащейся в щелочном растворе, с ее разложением на кислород и водород. Выработанный газ, а также остатки не подвергшегося электролизу щелочного раствора по отводным трубам проходят в распределительный коллектор 17, в котором газ отделяется от щелочного раствора, скапливаясь в его верхней зоне, а щелочной раствор стекает на дно коллектора. Из коллектора 17 выработанный газ проходит в бак 18, а щелочной раствор через фильтр 20 химическим насосом 19 снова подается в электролизеры 10 по коллектору 21.Fuel gas is obtained as follows. The
При электролизе может происходить пенообразование и повышение температуры щелочного раствора, что негативно влияет на эксплуатационные характеристики не только самих электролизеров, но и иных элементов установки, связанных с выработкой газа. При этом температура щелочного раствора выше 60°С является критической. Превышение значения критической температуры приводит к оседанию механических загрязнений, содержащихся в щелочном растворе, на поверхности электродов, что негативно влияет на протекание процесса электролиза и, соответственно, снижает эффективности выработки топливного газа. Более того, происходит дальнейшее увеличение температуры щелочного раствора, что в конечном результате может привести к выходу электролизера (-ов) из строя.During electrolysis, foaming and an increase in the temperature of the alkaline solution can occur, which negatively affects the performance of not only the electrolyzers themselves, but also other elements of the installation associated with gas production. The temperature of the alkaline solution above 60°C is critical. Exceeding the critical temperature leads to the deposition of mechanical impurities contained in the alkaline solution on the surface of the electrodes, which negatively affects the course of the electrolysis process and, accordingly, reduces the efficiency of fuel gas generation. Moreover, there is a further increase in the temperature of the alkaline solution, which may ultimately lead to the failure of the cell(s).
Для устранения данного недостатка бак 18 оснащен теплообменником, служащим для охлаждения щелочного раствора до температуры теплоносителя, возвращаемого через коллектор от потребителя, при этом теплоноситель утилизирует тепло электролита. To eliminate this disadvantage, the
Пена, образующаяся в процессе электролиза, вместе с выработанным газом через выходной патрубок бака 18 поступает в гидрозатвор, в котором удерживаемый столб воды препятствует выходу газа вовне. Со временем вода гидрозатвора может защелачиваться из-за попадания щелочного раствора вместе с выходящим газом и пеной, что, в свою очередь, приводит к уменьшению общего объема электролита в баке. Щелочной раствор за счет агрессивного воздействия постепенно разрушает элементы конструкции, через которые проходит. Для устранения данного недостатка бак 18 устанавливают в вертикальном положении и выполняют определенной высоты. Пена, поднимаясь вверх внутри вертикально ориентированного бака, под действием силы тяжести начинает сама себя придавливать и под собственным весом оседать. Чем больше вырабатывается газа в электролизерах, тем выше образуется столб пены внутри бака, поэтому габариты, в частности, высоту бака, рассчитывают, с учетом объема вырабатываемого газа.The foam formed during the electrolysis process, together with the exhaust gas, through the outlet pipe of the
Во время выработки газа щелочной раствор нагревается до 60°С, при этом вода, содержащаяся в щелочном растворе, частично испаряется, а часть ее вместе с выработанным газом проходит в гидрозатвор, что может привести к увеличению объема удерживаемой в нем жидкости, и, следовательно, повышению затрат на гидроресурсы. Для устранения этого недостатка на выходе газа из бака установлен каплеуловитель 27, служащий для возврата образующегося на нем конденсата в общий объем щелочного раствора и, соответственно, препятствующий прохождению излишней влаги в гидрозатвор. During gas production, the alkaline solution is heated to 60°C, while the water contained in the alkaline solution partially evaporates, and part of it, together with the generated gas, passes into the hydraulic seal, which can lead to an increase in the volume of liquid retained in it, and, therefore, increase in the cost of water resources. To eliminate this drawback, a
Газ, поступающий в гидрозатвор, имеет высокую влажность, что также негативно влияет на элементы конструкции, по которым перемещается поток, и, следовательно, снижается КПД установки в целом.The gas entering the hydraulic seal has a high humidity, which also negatively affects the structural elements along which the flow moves, and, consequently, the efficiency of the installation as a whole decreases.
Кроме того, высокая влажность может привести к снижению температуры факела горелки, размещаемой в реакторе сгорания.In addition, high humidity can lead to a decrease in the temperature of the burner flame placed in the combustion reactor.
Со временем влага, переносимая газом в гидрозатвор, накапливается в нем, что приводит к повышению уровня жидкости. При превышении требуемого уровня воды в гидрозатворе открывается клапан сброса и излишек воды уходит в емкость, откуда со временем испаряется. Over time, the moisture carried by the gas into the water seal accumulates in it, which leads to an increase in the liquid level. When the required water level in the hydraulic seal is exceeded, the discharge valve opens and the excess water goes into the tank, from where it evaporates over time.
Из гидрозатвора газ по трубопроводу проходит на осушку в охладитель, в котором влага, выносимая вместе с газом, кристаллизуется и оседает на внутренних стенках охладителя.From the hydraulic seal, the gas passes through the pipeline for drying into the cooler, in which the moisture carried out together with the gas crystallizes and settles on the inner walls of the cooler.
Далее осушенный газ проходит в камеру с трубчатым испарителем. По трубам испарителя с помощью насоса прокачивается хладагент, поглощающий тепло охлаждаемого газа. После выхода из камеры газ движется вдоль стенок охладителя, поднимается вверх и поступает в трубопровод, по которому подается в коллектор реактора сгорания.The dried gas then passes into a chamber with a tubular evaporator. A refrigerant is pumped through the pipes of the evaporator by means of a pump, which absorbs the heat of the cooled gas. After leaving the chamber, the gas moves along the walls of the cooler, rises up and enters the pipeline, through which it is fed to the combustion reactor header.
Включение котлов, входящих в реактор сгорания, выполняется по команде, направленной в ЭБУ реактора сгорания от ЦБУ, в котором после розжига горелок, происходит сжигание топливного газа и выработка тепловой энергии. При этом через входной патрубок котла поступает холодный теплоноситель, который, соприкасаясь с внешней стороной камеры сгорания, забирает тепло и проходит к выходному патрубку и затем в трудопровод теплоносителя и дальше к потребителю. Излишки теплоносителя сбрасываются в расширительный бачок. The boilers included in the combustion reactor are switched on by a command sent to the combustion reactor ECU from the CBU, in which, after the burners are ignited, fuel gas is burned and thermal energy is generated. At the same time, cold coolant enters through the boiler inlet pipe, which, in contact with the outer side of the combustion chamber, takes heat and passes to the outlet pipe and then to the coolant pipeline and further to the consumer. Excess coolant is discharged into the expansion tank.
В качестве теплоносителя могут быть использованы любые жидкие вещества, которые не вступают в химическую реакцию с внутренней стенкой корпуса реактора и внешней стенкой реактора сгорания.Any liquid substances that do not enter into a chemical reaction with the inner wall of the reactor vessel and the outer wall of the combustion reactor can be used as a coolant.
Заявляемая установка относится к экологически чистым отопительным системам, не производящих вредных выбросов в окружающую среду от продуктов сгорания.The proposed installation refers to environmentally friendly heating systems that do not produce harmful emissions into the environment from combustion products.
Установка может функционировать как самостоятельное автоматически управляемое устройство, так и в составе более сложных устройств и агрегатов, где требуется нагрев теплоносителя, и может быть выполнена различных габаритных размеров. The installation can function as an independent automatically controlled device, or as part of more complex devices and units where heating of the coolant is required, and can be made in various overall dimensions.
Claims (4)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2777163C1 true RU2777163C1 (en) | 2022-08-01 |
Family
ID=
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2825177C1 (en) * | 2023-12-26 | 2024-08-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") | Single-circuit dependent heating system control device |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2161286C1 (en) * | 2000-05-11 | 2000-12-27 | Вялкин Владимир Андреевич | Heat supply system for buildings |
RU104676U1 (en) * | 2010-12-23 | 2011-05-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | AUTONOMOUS HEATING AND HOT WATER SUPPLY SYSTEM |
RU133259U1 (en) * | 2012-11-30 | 2013-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Электроаппарат" | STATIONARY HEATING BOILER |
RU2652546C1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-04-26 | Андрей Николаевич Богатов | Hydraulic system control system of boiler system of heat supply |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2161286C1 (en) * | 2000-05-11 | 2000-12-27 | Вялкин Владимир Андреевич | Heat supply system for buildings |
RU104676U1 (en) * | 2010-12-23 | 2011-05-20 | Учреждение Российской академии наук Институт горного дела Сибирского отделения РАН | AUTONOMOUS HEATING AND HOT WATER SUPPLY SYSTEM |
RU133259U1 (en) * | 2012-11-30 | 2013-10-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная фирма "Электроаппарат" | STATIONARY HEATING BOILER |
RU2652546C1 (en) * | 2017-02-21 | 2018-04-26 | Андрей Николаевич Богатов | Hydraulic system control system of boiler system of heat supply |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2825177C1 (en) * | 2023-12-26 | 2024-08-21 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Забайкальский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ЗабГУ") | Single-circuit dependent heating system control device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
AU2019374584B2 (en) | Method of producing hydrogen | |
US20040188270A1 (en) | Hydrogen/oxygen generating system with temperature control | |
CN110820007B (en) | PBI proton exchange membrane electrolysis module and seawater electrolysis hydrogen production device | |
BR112012026923B1 (en) | electrical energy storage and restoration device | |
CN105862066A (en) | High-pressure proton membrane water electrolysis device and method | |
CN115679377A (en) | Take waste heat recovery's brineelectrolysis hydrogen manufacturing system | |
RU2777163C1 (en) | Automated hybrid heating unit | |
CN114646045B (en) | Steam stable supply system and steam stable supply method | |
CN111005032A (en) | Portable full-automatic high-purity fluorine gas production device system | |
KR20150049399A (en) | Fuel cell system with excellent eliminating effect on freezing material throughout air purging and method of controlling the same | |
RU2371813C1 (en) | Autonomous power supply system and method of its operation | |
CN212103028U (en) | PBI proton exchange membrane electrolysis module and seawater electrolysis hydrogen production device | |
JP2004337843A (en) | Method and apparatus for concentrating hydrogen isotope water | |
CN218182263U (en) | Environment test equipment suitable for low-temperature cold start of hydrogen fuel cell stack | |
CN102515103B (en) | Technology for secondarily producing medium pressure steam during synthesizing chlorine and hydrogen into hydrogen chloride and equipment thereof | |
CN101818354B (en) | Water electrolysis system of solid polymer electrolyte | |
EP2034053A1 (en) | Equipment and method for obtaining gases by means of the electrolysis of water | |
JP2022073460A (en) | Power generating system | |
KR200317613Y1 (en) | Large capacity's brown gas generation and burning apparatus | |
CN219839771U (en) | Aluminum electrolysis cell waste heat utilization system | |
CN111620305A (en) | Device and method for greatly improving byproduct steam in hydrogen chloride synthesis | |
CN211424449U (en) | Spray quench tower | |
CN218409880U (en) | Energy conversion equipment and heating system | |
CN218781998U (en) | Environment test equipment suitable for altitude simulation of hydrogen fuel engine system | |
CN214537434U (en) | Waste gas pre-cooling device for secondary aluminum smelting furnace set |