Проектирование экспериментальной когенерационной газовой энергетической установки
Полезная модель относится к области энергетики, более конкретно, к экспериментальной когенерационной энергетической установке на основе гидротермального окисления порошкообразного алюминия. Предложенное техническое решение может найти применение при исследовании, разработке и создании мобильных экологически безопасных энерготехнологических систем и установок, предназначенных для использования в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также на наземных и подземных объектах военной инфраструктуры и в составе электроэнергетических систем кораблей. Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание экспериментальной когенерационной энергетической установки непрерывного действия, используемой для проведения всесторонних исследований процессов гидротермального окисления порошкообразного алюминия, влияния режимных параметров ее работы на физико-химические свойства твердых продуктов окисления, а также процессов преобразования и распределения электрической и тепловой энергии. Указанный технический результат достигается за счет выполнения предлагаемой полезной модели, согласно которой экспериментальная когенерационная энергетическая установка содержит дополнительные средства для регулирования и оптимизации основных параметров процессов гидротермального окисления алюминия, утилизации тепловой и химической энергии продуктов реакции и выработки, преобразования и распределения электрической энергии. Выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания многофункциональной экспериментальной когенерационной энергетической установки для проведения всесторонних исследований процессов гидротермального окисления порошкообразного алюминия, в том числе в непрерывном режиме, а также достичь указанный технический результат, заключающийся в повышении надежности и эффективности эксплуатации установки на различных режимах функционирования, в том числе, путем введения дополнительных средств для регулирования и оптимизации процессов гидротермального окисления алюминия, утилизации тепловой и химической энергии продуктов реакции и отработки системы преобразования и распределения электрической энергии. Дополнительным техническим результатом является упрощение обслуживания экспериментальной когенерационной энергетической установки за счет предложенных средств автоматического регулирования. Описание на 13 л, ф-ла 2 пп., илл. 1 л.
Полезная модель относится к области энергетики, более конкретно, к экспериментальной когенерационной энергетической установке на основе гидротермального окисления порошкообразного алюминия. Предложенное техническое решение может найти применение при исследовании, разработке и создании мобильных экологически безопасных энерготехнологических систем и установок, предназначенных для использования в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также на наземных и подземных объектах военной инфраструктуры и в составе электроэнергетических систем кораблей, в том числе подводных лодок.
В последние годы в области водородной энергетики наблюдается прогресс в разработке автономных экологически чистых энергоустановок. Применение водорода в качестве топлива для этих установок обеспечивает их высокий термический КПД и благоприятные экологические показатели. Поскольку хранение и транспортировка водорода связаны с серьезными техническими проблемами представляет интерес создание энерготехнологических установок и систем для производства водорода на месте его потребления на основе реакции окисления алюминия в воде с последующим комплексным использованием в промышленности побочных твердых продуктов реакции, а также тепловой энергии реакции и химической энергии водорода.
Известно устройство для получения гидроксидов или оксидов алюминия и водорода, содержащее источник суспензии мелкодисперсного порошкообразного алюминия с водой со смесителем, реактор, конденсатор, приемное устройство, регулируемый клапан отвода смеси паров воды и водорода, регулируемый клапан отвода гидроксидов или оксидов алюминия, датчик температуры реактора, датчик давления на входе подачи суспензии в реактор, датчик давления на выходе парогазовой смеси и датчик давления перед входом парогазовой смеси в конденсатор (см. патент РФ 
2278077, опублик. 20.06.2005, бюл. 17).
Такое техническое решение позволяет увеличить стабильность работы реактора гидротермального окисления порошкообразного алюминия при получении водорода за счет того, что устройство содержит регулируемое средство подачи суспензии в реактор, управляющий контроллер с входом и выходом, причем источник суспензии содержит регулируемое средство подачи воды и регулируемое средство подачи порошка алюминия, вход контроллера соединен с датчиком температуры в реакторе и датчиками давления, а выход контроллера соединен с источником суспензии, регулируемым средством подачи суспензии мелкодисперсного порошка алюминия с водой в реактор, регулируемым клапаном отвода смеси паров воды и водорода и регулируемым клапаном отвода гидроксидов или оксидов алюминия.
Дальнейшее совершенствование известного устройства в качестве энерготехнологической установки связано, в том числе, с использованием химической энергии водорода и тепловой энергии реакции гидротермального окисления алюминия, а также организацией непрерывного технологического процесса ее работы.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является автономная комбинированная энергетическая установка, содержащая реактор гидротермального окисления порошкообразного алюминия, средства для утилизации тепловой энергии и водорода в электрохимическом генераторе на топливных элементах, блоки питания и управления работой установки (см. патент РФ 2388649, опублик. 10.05.2010 - прототип).
Особенностью известной энергетической установки является то, что она содержит бункер с порошком алюминия, подающее устройство, смеситель, насос высокого давления, распылительное устройство, указанный реактор, дроссельные регуляторы, конденсаторы, фильтр, осушитель водорода, электрохимический генератор, питательную емкость с водой и емкость сбора твердых продуктов реакции, при этом установка снабжена пароводородной турбиной, теплообменниками - конденсаторами и сепараторами, насосом высокого давления воды, котлом утилизатором, который связан с химическим реактором через дроссельный регулятор, а также соединен с электрохимическим генератором, пароводородной турбиной и через теплообменник - конденсатор с сепаратором, а нароводородная турбина через теплообменник - конденсатор, сепаратор, дроссельный регулятор, фильтр и осушитель водорода соединена с электрохимическим генератором.
Надежное функционирование известной когенерационной энергетической установки связано с оптимизацией процессов гидротермального окисления порошкообразного алюминия, а также с необходимостью преобразования и распределения электрической энергии, в том числе, для собственных нужд. Исследование возможностей и эффективности известной когенерационной энергетической установки для целей децентрализованной энергетики и мобильных энерготехнологических установок было проведено на опытной (экспериментальной) установке РНЦ «Прикладная химия» (см. Дмитриев А.Л., Иконников В.К. и др. «Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающими на продуктах гидротермального окисления алюминия // International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology 11 (67) 2008, р.10-17). К недостатку известной установки следует отнести отсутствие в ее блок-схеме средств для оперативного контроля уровня реакционной зоны в реакторе высокого давления, что может привести к разрегулированию процесса окисления алюминия в реакторах.
Решаемой задачей предложенной полезной модели является создание экспериментальной когенерационной энергетической установки непрерывного действия, используемой для проведения всесторонних исследований процессов гидротермального окисления порошкообразного алюминия, влияния режимных параметров ее работы на физико-химические свойства твердых продуктов окисления, а также процессов преобразования и распределения электрической и тепловой энергии.
Достигаемый технический результат заключается в устранении указанных недостатков известных технических решений, в повышении надежности и эффективности эксплуатации экспериментальной когенерационной энергетической установки на различных режимах функционирования путем изменения ее технологической схемы, введения дополнительных средств для регулирования и оптимизации основных параметров процессов гидротермального окисления алюминия, утилизации тепловой и химической энергии продуктов реакции и выработки, преобразования и распределения электрической энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что в экспериментальной когенерационной энергетической установке, содержащей реактор гидротермального окисления порошкообразного алюминия, средства для подготовки исходных реагентов и сепарации водорода из паро-водородной смеси, электрохимический генератор, блоки утилизации тепловой энергии, питания и управления работой установки, согласно полезной модели, средства для подготовки исходных реагентов включают дозатор порошкообразного алюминия и бак дистиллированной воды с дозировочным насосом, соединенные через смеситель, первый отсечной клапан, регулируемый дозировочный насос высокого давления, второй отсечной клапан и первый обратный клапан с входом реактора гидротермального окисления порошкообразного алюминия, выход которого по паро-водородной смеси соединен через управляемый клапан переменного сечения, первый теплообменник, третий отсечной клапан, барботер, осушитель водорода, четвертый отсечной клапан и второй обратный клапан с входами водородной рампы и электрохимического генератора, выполненного на основе водородно-воздушных топливных элементов; выход реактора гидротермального окисления по окислам алюминия соединен через пятый отсечной клапан с входом емкости для приема окислов алюминия, выход которой по образующемуся в ней водяному пару соединен через второй теплообменник с входом сборника конденсата; изолированные полости второго и первого теплообменников включены в состав замкнутого теплообменного контура, содержащего последовательно соединенные с ними калориферное устройство, бак охлаждающей воды и циркуляционный насос; блок управления работой установки включает пульт управления, снабженный программируемым микроконтроллером, входы которого соединены с выходами датчиков расхода дистиллированной воды и порошкообразного алюминия, с выходами датчиков уровня реакционной зоны в реакторе гидротермального окисления и с выходами датчиков температуры, давления и расхода пароводородной смеси, конденсата, охлаждающей воды и водорода, а управляющие выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами указанных насосов и отсечных клапанов; блок питания установки содержит преобразователь электрической энергии, включающий инвертор напряжения, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, первое и второе балластные сопротивления и управляемые от указанного микроконтроллера переключатели, причем выход указанного электрохимического генератора соединен через первый-четвертый управляемые переключатели с входами, соответственно, инвертора напряжения, первого балластного сопротивления, блока аккумуляторных батарей и зарядного устройства, выход инвертора напряжения соединен через пятый управляемый переключатель с входом второго балластного сопротивления, через шестой управляемый переключатель - с входом зарядного устройства и через седьмой управляемый переключатель - с распределительным щитом установки, выполненным с возможностью подключения к внешнему источнику питания переменного напряжения.
Кроме того, экспериментальная когенерационная энергетическая установка может содержать дополнительные средства в виде паротурбинного или иного аналогичного агрегата для утилизации выделяющегося тепла от реактора гидротермального окисления и электрохимического генератора.
Такое выполнение полезной модели позволяет решить поставленную задачу создания многофункциональной экспериментальной когенерационной энергетической установки для проведения всесторонних исследований процессов гидротермального окисления порошкообразного алюминия, в том числе в непрерывном режиме, а также достичь указанный технический результат, заключающийся в повышении надежности и эффективности эксплуатации установки на различных режимах функционирования, в том числе, путем введения дополнительных средств для регулирования и оптимизации процессов гидротермального окисления алюминия, утилизации тепловой и химической энергии продуктов реакции и отработки системы преобразования и распределения электрической энергии. Дополнительным техническим результатом является упрощение обслуживания экспериментальной когенерационной энергетической установки за счет указанных средств автоматического регулирования.
На фиг.1 представлена блок-схема установки с системой преобразования и распределения электрической энергии.
Экспериментальная когенерационная энергетическая установка содержит реактор 1 гидротермального окисления порошкообразного алюминия, средства для подготовки исходных реагентов, сепарации водорода из паро-водородной смеси и утилизации тепловой энергии, электрохимический генератор 2 и блоки питания 3 и управления 4 работой установки. Средства для подготовки исходных реагентов включают дозатор 5 порошкообразного алюминия и бак 6 дистиллированной воды с дозировочным насосом 7, соединенные через смеситель 8, первый отсечной клапан 9, регулируемый дозировочный насос 10 высокого давления, второй отсечной клапан 11 и первый обратный клапан 12 с входом реактора 1 гидротермального окисления порошкообразного алюминия, выход которого по паро-водородной смеси соединен через управляемый клапан 13 переменного сечения, первый теплообменник 14, третий отсечной клапан 15, барботер 16, осушитель 17 водорода, четвертый отсечной клапан 18 и второй обратный клапан 19 с входами водородной рампы 20 и электрохимического генератора 2, выполненного на основе водородно-воздушных топливных элементов.
Выход реактора 1 гидротермального окисления по окислам алюминия соединен через пятый отсечной клапан 21 с входом емкости 22 для приема окислов алюминия, выход которой по водяному пару соединен через второй теплообменник 23 с входом сборника конденсата 24.
Изолированные полости второго и первого теплообменников 23, 14 включены в состав замкнутого теплообменного контура 25, содержащего последовательно соединенные с ними калориферное устройство 26, бак 27 охлаждающей воды и циркуляционный насос 28. Блок 4 управления работой установки включает пульт 29 управления, снабженный программируемым микроконтроллером (не показан), входы которого соединены с выходами датчиков 30, 31 расхода дистиллированной воды и порошкообразного алюминия, с выходами датчиков 32 уровня реакционной зоны в реакторе 1 гидротермального окисления и с выходами датчиков температуры 33, давления 34 и расхода 35 пароводородной смеси, конденсата, охлаждающей воды и водорода, при этом управляющие выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами указанных насосов и отсечных клапанов.
Блок 3 питания установки содержит преобразователь 36 электрической энергии (ПЭЭ), включающий инвертор 37 напряжения, блок 38 аккумуляторных батарей, зарядное устройство 39, первое и второе балластные сопротивления 40, 41 и управляемые от указанного микроконтроллера переключатели, причем выход электрохимического генератора 2 соединен через первый - четвертый управляемые переключатели 42-45 с входами, соответственно, инвертора 37 напряжения, первого балластного сопротивления 40, блока 38 аккумуляторных батарей и зарядного устройства 39. Выход инвертора 37 напряжения соединен через пятый управляемый переключатель 46 с входом второго балластного сопротивления 41, через шестой управляемый переключатель 47 - с входом зарядного устройства 39 и через седьмой управляемый переключатель 48 - с распределительным щитом 49 установки, выполненным с возможностью подключения к внешнему источнику питания переменного напряжения.
Экспериментальная когенерационная энергетическая установка может содержать дополнительные средства в виде паротурбинного или иного аналогичного агрегата 50 для утилизации выделяющегося тепла от реактора гидротермального окисления и электрохимического генератора. Поз. 51 обозначена емкость для сбора конденсата из барботера 16. Агрегаты установки и трубопроводные тракты для транспортировки воды, порошкообразного алюминия, пароводородной смеси, конденсата, водорода и бемита также могут содержать не указанную на фиг.1 вспомогательную пускорегулирующую или измерительную аппаратуру, обеспечивающую дополнительное, не упомянутое сервисное обслуживание установки, например, в период наладки установки.
Экспериментальная когенерационная энергетическая установка функционирует следующим образом.
Исходными данными, определяющими основные технические характеристики предложенной экспериментальной установки, являются расход порошкообразного алюминия, рабочая температура в реакторе 1 и время выдержки, необходимое для завершения реакции. Характерные значения теплофизических параметров в реакторе: температура 300-350°С, давление 10,0-17,0 МПа, при этом гидротермальная реакция окисления порошкообразного алюминия сопровождается выделением значительной энергии на уровне 15 кДж на 1 г алюминия. Время пребывания порошкообразного алюминия в реакторе 1 выбирается из условия ограничения в нем концентрации твердых продуктов реакции, при этом микроконтроллер блока 4 управления должен обеспечивать оптимальный режим подвода суспензии и отвода продуктов реакции из реактора. При работе установки в штатном режиме уровень реакционной зоны в реакторе 1 должен находиться в оптимальных пределах, соответствующих положению датчиков уровня и программе микропроцессора. Регулируемая подача в реактор 1 подготовленной в смесителе 8 суспензии порошкообразного алюминия в воде осуществляется с помощью регулируемого дозировочного НВД 10. Управление работой насоса 10 осуществляется с пульта 29 блока 4 управления, посредством микроконтроллера обеспечивающего обратную связь с учетом изменяющихся параметров процесса (давление и температура в рабочем объеме реактора 1, массы отводимых ингредиентов, парциального давления водяного пара и водорода и др.).
Пароводородная смесь из реактора 1 поступает через дистанционно управляемый клапан 13 переменного сечения в первый теплообменник 14 для начального охлаждения пароводородной смеси. Затем охлажденная пароводородная смесь поступает через барботер 16 и осушитель 17 водорода через соответствующие клапаны на входы балонной рампы 20 для хранения водорода и на вход электрохимического генератора 2, выполненного на основе водородно-воздушных топливных элементов. Отводимое тепло от агрегатов установки и от реактора 1 в предложенной экспериментальной когенерационной энергетической установке может полезно использоваться в агрегате 50 для утилизации выделяющегося тепла от реактора 1 путем выработки электроэнергии, для отопления или иных технологических целей.
Контроль параметров агентов, транспортируемых по соответствующим трактам воды, порошкообразного алюминия, пароводородной смеси, водорода и окислов алюминия осуществляется с помощью упомянутых датчиков давления, температуры и расхода. Результаты измерений и показания датчиков фиксируются и обрабатываются микроконтроллером на пульте 29 блока 4 управления и затем используются для выработки управляющих сигналов для поддержания рабочих режимов процесса гидротермального окисления алюминия. Пускорегулирующая арматура, включающая систему насосов и указанных дистанционно управляемых клапанов, обеспечивает штатную работу экспериментальной установки и ее функционирование в нештатных ситуациях.
В качестве одного из основных энергетических устройств, утилизирующих водород, в предложенной установке выбран электрохимический генератор 2 (ЭХГ) на основе водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ). Здесь и далее для удобства изложения воспользуемся подобными сокращениями. Генерируемая ЭХГ электрическая энергия постоянного тока подается в преобразователь электрической энергии 36 блока 3 питания, позволяющий переключать питание собственных нужд установки с промышленной сети, на потребление от ЭХГ, обеспечивая тем самым автономную, не зависящую от внешнего электропитания, работу всей экспериментальной когенерационной энергетической установки на различных режимах. Запуск и вывод установки на рабочий режим осуществляется с помощью блока аккумуляторных батарей 38 (БАБ), входящего в состав ПЭЭ, что позволяет не хранить водород на борту установки, например, в режиме ожидания электрической нагрузки. Надежность работы ЭХГ в составе установки обеспечивает водородная рампа 20 (ВР). Она сглаживает неравномерности электрического потребления, а при отсутствии электрической нагрузки может запасать водород, который может также производиться, как конечный продукт.
Непрерывный процесс получения водорода и тепловой энергии в реакторе 1 (объемом Vp=7.6 л) основан на непрерывной подаче в его рабочий объем исходных реагентов - дистиллированной воды и порошкообразного алюминия при одновременном выводе из реактора 1 продуктов реакции - окислов алюминия и водорода. Алюминиевый порошок в реактор 1 подается в виде суспензии с водой в заданном массовом соотношении из смесителя 8, куда порошкообразный алюминий поступает из дозатора 5 с помощью дозирующего шнекового устройства (не показан), а дистиллированная вода с помощью дозировочного насоса 7 поступает из бака 6. Уровень суспензии в смесителе 8 в ходе непрерывной работы установки поддерживается в заданных пределах с помощью датчиков уровня 30 и 31. Необходимое массовое соотношение воды и алюминия в суспензии достигается за счет предварительной настройки регуляторов двигателей (не показаны) дозатора 5 и насоса 7.
Из смесителя 8 в реактор 1 суспензия непрерывно подается с помощью НВД 10. Продукты реакции выводятся сверху и снизу реактора 1. Сверху реактора 1 выводится пароводородная смесь, снизу - водная суспензия твердых продуктов окисления. Высокая степень превращения алюминия достигается за счет необходимой выдержки его внутри рабочего объема реактора 1. Нужный объем пульпы в реакторе 1 поддерживается с помощью бесконтактного датчика уровня 32, который управляет через блок 4 управления выводом продуктов окисления снизу реактора 1. Вывод пароводородной смеси сверху реактора 1 осуществляется, как указано, с помощью управляемого клапана 13 переменного сечения. Смесь водяного пара и водорода из реактора 1 поступает в первый теплообменник 14, в котором она передает свое тепло воде охлаждения замкнутого теплообменного контура 25 для нагрева помещения, в котором располагается установка, с помощью калориферного устройства 26 (КУ). Вода барботера 16 периодически сбрасывается в сборник конденсата 51. Твердые продукты реакции выводятся из реактора 1 в емкость 22 приема окислов алюминия. Образующийся при этом водяной пар поступает во второй теплообменник 23, из которого конденсированная вода сливается в сборник 24 конденсата и затем возвращается в бак 6 дистиллированной воды.
ПЭЭ 36 содержит трехфазный инвертор напряжения 37 (ИН) фирмы Xantrex, БАБ 38, зарядное устройство 39 (ЗУ) и четырехступенчатые балластные сопротивления 40 (БС1) и 41 (БС2). При этом БС1 предназначено для имитации полезной нагрузки в постоянном токе, а БС2 - в переменном. Ступени БС1 и БС2 соединены между собой параллельно. Сопротивления ступеней БС1 составляют 3, 2, 1.3 и 1 Ом, а каждой из ступеней БС2 в переменном токе потребляется по 3 кВт электрической мощности. На БС1 напряжение подается напрямую от ЭХГ или БАБ, а на БС2 - через ИН, который преобразует постоянное напряжение в переменное трехфазное. От ИН ток, помимо БС2, может поступать на общий распределительный щит 49 (РЩ) блока 3 питания установки, а также на ЗУ для БАБ, который предназначен для запуска установки и питания ее собственных нужд до начала выработки водорода в реакторе 1. После запуска ЭХГ БАБ может быть отключен и переведен в режим зарядки.
Процедура проведения испытаний установки включает в себя три основные стадии: предпусковые операции, рабочий режим и приведение установки в исходное состояние. В отличие от рабочего режима, в котором управление установкой осуществляется по заранее разработанному и запрограммированному в микроконтроллере блока 4 управления алгоритму, стадии предпусковых операций и приведения установки в исходное состояние требуют для их выполнения непосредственного участия оператора экспериментальной установки.
Процесс подготовки подсистем и узлов предложенной установки к испытаниям состоят из подачи напряжения от БАБ на ИН, подачи напряжения на РЩ и его включение, загрузки ПЭЭ и системы управления ЭХГ, продувки азотом трубопроводов и оборудования, в которых во время испытаний обращается водород, предварительного нагрева реактора 1, приготовления первой порции суспензии в смесителе 8 и открытия ручных клапанов на входах в ЭХГ и в баллоны ВР. Для проведения испытаний к реактору 1 подключаются 3 стандартных баллона по 40 л, предварительно закаченных водородом до начального давления 1-4 МПа. Питание собственных нужд установки на стадии предпусковых операций может осуществляться, как от промышленной сети 380 В, 50 Гц, так и от БАБ через ИН.
Предварительный нагрев реактора 1 осуществляется с помощью электрического нагревателя, смонтированного на его внешней поверхности. Реактор 1 нагревается до рабочей температуры (не менее 300°С). Во время нагрева в реактор 1 из бака 6 дистиллированной воды с помощью НВД вводится вода в количестве, необходимом для создания внутри него влажного насыщенного пара. Давление пара внутри реактора 1 перед началом закачки в него алюмоводной суспензии составляет не менее 8 МПа. Приготовление первой порции водной суспензии порошкообразного алюминия в смесителе 8 осуществляется с помощью дозатора 5 порошка и насоса 7 дозирования воды. Порошок алюминия и дистиллированная вода загружаются в смеситель 8 с уже работающим в нем перемешивающим устройством (не показано). Частотные регуляторы двигателей дозирующих устройств настраиваются таким образом, чтобы массовое отношение вода - алюминий в суспензии находилось в интервале 7-9. Контроль и управление нагревом реактора 1 и приготовление первой порции суспензии в смесителе 8 осуществляется с помощью блока 4 управления, при этом параметры системы управления ЭХГ непрерывно сохраняются на жестких дисках соответствующих устройств (не показаны) на всем протяжении их работы.
После выполнения всех предпусковых операций оператор путем нажатия пусковой кнопки на пульте управления 29 блока 4 управления переводит установку в рабочий режим, в котором все совершаемые в установке операции, за исключением пуска и останова ЭХГ, автоматизированы. Сразу после нажатия пусковой кнопки происходит переключение питания РЩ с промышленной сети на БАБ через ИН. Безопасность такого переключения обеспечивает источник бесперебойного питания, входящий в состав РЩ (не показан). Далее закачивается суспензия из смесителя 8 в реактор 1. В результате реакции окисления алюминия в среде влажного насыщенного пара давление внутри реактора 1 растет и, при достижении заданного значения, образующаяся смесь пара и водорода поступает в первый теплообменник 14. Одновременно запускается насос 28 охлаждающей воды замкнутого теплообменного контура 25. После открытия клапана 15 поддержание давления внутри реактора 1 осуществляется с помощью клапана 13 переменного сечения в соответствии с разработанным алгоритмом управления. Регулируемый диапазон давления в реакторе поддерживается в пределах 10-20 МПа.
При достижении определенного значения плотности среды в верхней части реактора (в месте расположения датчиков 32 уровня) часть твердых продуктов окисления и жидкой воды выводится в емкость 22 приема продуктов окисления. Объем пульпы, контролируемый датчиками 32 уровня, поддерживался на уровне 70-85% от суммарного объема реактора 1. В первые минуты работы реактора 1 осуществлялась продувка образующимся водородом барботера 16 и осушителя 17 водорода, путем сброса его, например, на свечу (не показана). Затем, при достижении в барботере 16 определенного давления, открывается клапан 18, через который образующийся в реакторе 1 водород поступает в ВР и на ЭХГ. Скапливающаяся в барботере 16 вода периодически сбрасывается из него в сборник 51 конденсата.
После открытия клапана 18 оператор установки осуществляет запуск ЭХГ путем нажатия соответствующей пусковой кнопки его собственной системы управления (не показана). При начале работы на ЭХГ, необходимо на его вход подключить две ступени БС1, одновременно подается питание на систему собственных нужд установки от БАБ, после чего догружается оставшимися двумя ступенями БС 1. Такая последовательность подключения обеспечивает надежную совместную работу ЭХГ и ИН, так как подача напряжения выше 70 В на инверторную систему не рекомендуется ее фирмой-производителем.
Вырабатываемая реактором 1 и агрегатами установки тепловая энергия расходуется на нагрев охлаждающей воды. При достижении заданного значения температуры воды в баке 27 охлаждающей воды включается КУ, интенсифицирующее процесс передачи тепла в обогреваемое помещение. Отключение КУ происходит при понижении температуры воды в баке 27 до заданного значения.
Процесс останова и частичного приведения установки в исходное состояние запускается оператором при нажатии соответствующей кнопки на пульте управления 29. После нажатия остановочной кнопки НВД переключается со смесителя 8 на бак 6 с дистиллированной водой и промывает реактор 1 и соответствующие трубопроводы в течение 30 секунд, после чего отключается. Спустя 3 мин после окончания закачки суспензии твердые продукты реакции полностью удаляются из реактора 1, из барботера 16 сбрасываются остатки воды, выключается насос 28 охлаждения. После отключения НВД питание РЩ переключается обратно с ИН на промышленную сеть, после чего останавливается работа ЭХГ. Остатки водорода в реакторе 1, барботере 16 и осушителе 17 сбрасываются на свечу (не показана).
Дальнейший процесс приведения предложенной установки в исходное состояние состоит из закрытия ручных клапанов на входах в ЭХГ и в баллоны ВР, слива воды из сборников конденсата 24, 51, выгрузки продуктов реакции из емкости приема окислов алюминия, промывки смесителя и емкости 22 приема окислов алюминия, продувки азотом трубопроводов и оборудования, в которых во время испытаний обращался водород, загрузки бункера дозатора 5 порошка и бака 6 дистиллированной воды необходимым количеством исходных реагентов, зарядки БАБ с помощью ЗУ, сохранения информации и выключения системы управления ЭХГ и РЩ.
Экспериментальные и теоретические исследования тепло- и электрофизических, и физико-химических процессов, связанных с гидротермальным окислением порошкообразного алюминия, проведенные в последние годы в ОИВТ РАН с использованием предложенной установки, позволили выяснить ряд важных факторов, которые необходимо учитывать при разработке и создании мощных энерготехнологических установок, характеризующихся высокой производительностью и экологической безопасностью при получении тепловой энергии, бемита, водорода и электроэнергии.
1. Экспериментальная когенерационная энергетическая установка, содержащая реактор гидротермального окисления порошкообразного алюминия, средства для подготовки исходных реагентов и сепарации водорода из пароводородной смеси, электрохимический генератор, блоки утилизации тепловой энергии, питания и управления работой установки, отличающаяся тем, что средства для подготовки исходных реагентов включают дозатор порошкообразного алюминия и бак дистиллированной воды с дозировочным насосом, соединенные через смеситель, первый отсечной клапан, регулируемый дозировочный насос высокого давления, второй отсечной клапан и первый обратный клапан с входом реактора гидротермального окисления порошкообразного алюминия, выход которого по пароводородной смеси соединен через управляемый клапан переменного сечения, первый теплообменник, третий отсечной клапан, барботер, осушитель водорода, четвертый отсечной клапан и второй обратный клапан с входами водородной рампы и электрохимического генератора, выполненного на основе водородно-воздушных топливных элементов; выход реактора гидротермального окисления по окислам алюминия соединен через пятый отсечной клапан с входом емкости для приема окислов алюминия, выход которой по образующемуся в ней водяному пару соединен через второй теплообменник с входом сборника конденсата; изолированные полости первого и второго теплообменников включены в состав замкнутого теплообменного контура, содержащего последовательно соединенные с ними калориферное устройство, бак охлаждающей воды и циркуляционный насос; блок управления работой установки включает пульт управления, снабженный программируемым микроконтроллером, входы которого соединены с выходами датчиков расхода дистиллированной воды и порошкообразного алюминия, с выходами датчиков уровня реакционной зоны в реакторе гидротермального окисления и с выходами датчиков температуры, давления и расхода пароводородной смеси, конденсата, охлаждающей воды и водорода, а управляющие выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами указанных насосов и отсечных клапанов; блок питания установки содержит преобразователь электрической энергии, включающий инвертор напряжения, блок аккумуляторных батарей, зарядное устройство, первое и второе балластные сопротивления и управляемые от указанного микроконтроллера переключатели, причем выход указанного электрохимического генератора соединен через первый - четвертый управляемые переключатели с входами соответственно инвертора напряжения, первого балластного сопротивления, блока аккумуляторных батарей и зарядного устройства, выход инвертора напряжения соединен через пятый управляемый переключатель с входом второго балластного сопротивления, через шестой управляемый переключатель - с входом зарядного устройства и через седьмой управляемый переключатель - с распределительным щитом установки, выполненным с возможностью подключения к внешнему источнику питания переменного напряжения.
