Алюмоводородная энергетическая установка с сегнеровым колесом

Полезная модель относится к водородной энергетике, конкретно к газотурбинным установкам для производства электрической и тепловой энергии, работающим на продуктах гидротермального окисления алюминия. Включает реактор гидротермального окисления алюминия с системами подачи в него водной суспензии алюминия и узлами вывода водной суспензии бемита и пароводородной смеси, Сегнерово колесо, электрогенератор, а также конденсатор пара, системами выделения водорода, нагрева воды системы отопления и возврата сконденсированной воды в цикл.

В реакторе гидролизом порошков алюминия производится пароводородная смесь по реакции:

2Аl+4Н₂О2АlO(ОН)+3Н₂+Q

Получаемая в реакторе паро-водородо-водяная смесь с температурой 300÷350°С и давлением 10-15 бар экономически не целесообразна для реализации паротурбинного цикла, но эффективна для гидропарового цикла с Сегнеровым колесом.

Потенциальная энергия паро-водородо-водяной смеси с помощью Сегнерова колеса преобразуется в механическую, а электрогенератором - в электрическую. Отработанная смесь подается в конденсатор, выделяет водород, направляемый в накопитель, а остаточное тепло подают в систему отопления. КПД, без учета производства водорода, выработки электроэнергии установкой 1217%.

Установка может найти применение при создании простых автономных экологически безопасных энергоустановок на нетрадиционных источниках энергии. (2 ил.).

Предлагаемая полезная модель относится к области водородной энергетики, конкретно к газотурбинным установкам, работающим на продуктах гидротермального окисления алюминия и может найти применение при создании автономных экологически безопасных энергоустановок.

В рамках водородной энергетики активно разрабатываются автономные экологически чистые источники тепловой энергии [8-11]. В их основу положен способ производства пароводородной смеси гидролизом порошков, в основном, алюминия, осуществляемым в реакторе высокого давления по реакции:

2Аl+4Н₂ O2АlO(ОН)+3H₂+Q

Получаемая пароводородная смесь используется для получения водорода, тепловой и механической, а через нее электрической энергии, что известно, например по патентам РФ 2314253, 2297386, 2253606, 2267836, 2260880,, 2093456, по заявке на изобретение 2004100801, по патентам США 6506360, 6582676, 6638493, 4543246, заявкам на изобретение US 2003118505, US 2003143155, GB 2344110 и другим материалам. Ведущими в этой области в РФ являются ОАО РКК «Энергия» им. С.П.Королева, ФГУП «ЦКБ морской техники «Рубин», в Японии - корпорации «Нитто ДенкоКорп.», «Хитачи Макселл» и «Дженан СтилВоркс», а в США - «ЮС Нэви». При этом осуществляется генерирование водорода по реакции, в основном, порошкообразного алюминия, а реже Mg, Si, Zn или их сплавов с водой в присутствии гидроксида натрия или другого катализатора.

Кроме автономности источников энергии важной стала задача увеличения доли электроэнергии, вырабатываемой за счет нетрадиционных и возобновляемых видов энергоресурсов. Это обусловлено растущей стоимостью углеводородного топлива и ратификацией Россией в 2004 году Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов в атмосферу.

В рамках автономной и нетрадиционной алюмоводородной энергетики известна, например, газотурбинная установка, содержащая реактор (вихревая камера высокого давления) гидротермального окисления алюминия для генерации высокотемпературного потока пароводородной смеси с большим содержанием оксидов алюминия, камеру сгорания пароводородной смеси, парогазовую турбину, сепаратор для очистки пароводородной смеси от оксидов алюминия, теплообменник-рекуператор для производства горячей воды и перегретого пара, используемых в реакторе в качестве окислительной компоненты топливной композиции, а также теплообменное оборудование для конденсации пара, сепарации воды и водорода из пароводородной смеси (T.F.Miller, J.L.Wolter, D.H.Kiely. "A Next-Generation AUV Energy Sistem, based on Aluminum-Seawater Combustion". lEEE/OES AUV, 2002, Worshop on AUV Energy Sistem, San Antonio, TX). К недостаткам этой установки следует отнести недоиспользование химической энергии генерируемого водорода, что приводит к низкой термической эффективности процесса производства электроэнергии - 20÷26%.

Наиболее близким техническим решением к настоящему предложению является комбинированная энергоустановка, рассматриваемая в качестве прототипа. (А.Л.Дмитриев и др. "Автономные комбинированные энергоустановки с топливными элементами, работающие на продуктах гидротермального окисления алюминия" (ISJAEE. Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология", 11, 2008 г. Научно-технический центр "ТАТА", 2008 г.)

Энергоустановка включает смеситель порошка алюминия с водой при соотношении 1:(8,0÷8,2), насос высокого давления, нагнетающий водную суспензию алюминия через распылительное устройство в реактор, реактор, в котором образуется и из которого выводится пароводородная смесь (водород с насыщенным водяным паром) высокой температуры и давления и водная суспензия твердого продукта окисления алюминия-бемита (АlOOН).

Пароводородная смесь из реактора направляется в турбину, отдавая тепловую и потенциальную энергию, расширяется в ней до давления, близкого к атмосферному, поступает в конденсатор, где охлажденный водяной пар конденсируется до воды, из нее выделяется влажный водород, который направляют в блок полной осушки, а далее в водородовоздушный топливный элемент, где осуществляется прямое преобразование химической энергии водорода в электрическую. КПД такой комбинированной установки достигает ~ 35%.

По другой магистрали водная суспензия бемита из реактора через дроссельный клапан, в котором ее давление сбрасывается до атмосферного, поступает в приемник, откуда насыщенный водяной пар направляется в конденсатор, а вода направляется в сборник конденсата. Параметры процесса поддерживаются на уровне 300±10°С и 11÷12 МПа. Температурный режим поддерживается за счет тепловой реакции гидротермального окисления алюминия.

Достоинство прототипа - непрерывность работы установки и возможность регулирования производства водорода в широких пределах.

Недостаток прототипа - большая сложность установки, высокая удельная стоимость (5000 USD/кВт) и малый ресурс работы водородовоздушного твердополимерного топливного элемента, а также нерешенность проблемы утилизации низкопотенциального тепла пароводородной смеси.

Решаемой задачей является создание простой и безопасной газотурбинной установки, использующей низкопотенциальную теплоту энергии сгорания алюминия, например, в виде водородо-паро-водяной смеси с температурой 300÷400°С. Такая температура мала для экономически оправданной реализации паротурбинного цикла, но эффективной альтернативой паротурбинному циклу, в данном случае, является гидропаровой цикл [1-3].

Решение поставленной задачи достигается тем, что в качестве турбинной установки используется Сегнерово колесо в совокупности с алюмоводородным реактором в качестве источника пароводородной смеси. Турбинные установки на основе Сегнерова колеса могут использоваться для привода генераторов или вспомогательных механизмов стационарно на промышленных предприятиях, а также в геотермальных полях [1-7, 17].

Безопасность и экологическая чистота установки обеспечивается ее конструкцией, автоматизацией технологического процесса, отсутствием токсичных газообразных и твердых веществ в продуктах реакции.

Схема предлагаемой установки представлена на фиг.1.

Предлагаемая установка включает следующие основные автономные узлы:

- смеситель порошка алюминия с водой;

- насос высокого давления, подающий суспензию алюминия в реактор;

- реактор-источник пароводородной смеси высокой температуры и давления;

- тепловой двигатель-турбогенератор в составе одноступенчатой тангенциальной турбины (Сегнерово колесо) и диффузора для сбора потока пароводородной смеси, истекающей из Сегнерова колеса;

- электромашинный генератор постоянного или переменного тока;

- конденсатор пароводородной смеси, истекающей из Сегнерова колеса;

- сборник водорода;

- сборник твердых продуктов реакции алюминия с водой;

- автоматизированная система контроля и управления (АСКУ);

Основные параметры установки следующие:

- электрическая мощность, кВт	10-15
- расход пароводородной смеси, г/с	40
- температура пароводородной смеси на выходе из реактора, °С	340÷350
- давление в реакторе, бар	30÷40
- максимальная температура в реакторе, °С	450
- давления срабатывания в дроссельном устройстве, бар от	30÷40 до 10÷15
- давление перед турбиной, бар	10÷15
- рабочий объем реактора, л	10÷12
- диаметр Сегнерова колеса по оси сопел, мм	300
- окружная скорость, м/с	150-200
- максимальная частота вращения Сегнерова колеса, мин-1	9000
- количество сопел	4
- размер частиц подаваемого алюминиевого порошка, мкм	не более 1
- критический диаметр сечения сопел, мм	4,5
- число Маха истечения рабочего тела	12
- масса Сегнерова колеса с валом, кг	92
- расход охлаждающей турбину воды, л/мин.	20
- температура охлаждающей воды на входе, °С	не более 35
- температура охлаждающей воды на выходе, °С	не более 100
- время выхода на режим, час	не более 1

- марка используемого порошка (в зависимости

Общая формула КПД Сегнерова колеса имеет такое выражение:

,

где h_ГПТ - удельная работа на ободе рабочего колеса, МДж

h₀=i ₀-i_2a - располагаемый теплоперепад МДж.

На основе фундаментальных зависимостей термодинамики [13-15] формула КПД Сегнерова колеса в его рабочих параметрах получена в следующем виде:

,

где u₁ u₂ - окружные скорости пароводородной смеси на входе и выходе из Сегнерова колеса;

;

_н - КПД насосного эффекта, характеризующий эффективность преобразования работы кориолисовых сил в потенциальную энергию повышения давления рабочего тела;

-КПД сопла;

- относительная скорость парокапельной смеси на выходе из сопла: индекс «1» соответствует параметрам потока на входе в сопло, а индекс «2» - на выходе, х - степень сухости на выходе из сопла.

Используя экспериментально полученные при разработке данной установки КПД сопел, работающих на вскипающей жидкости, а также значения коэффициентов скольжения в них фаз смеси, окружной КПД разработанной установки определили [15] величинами 1217%.

При организационно-финансовой поддержке Минпромнауки РФ, Российской Академии наук, с участием МГТУ им. Н.Э.Баумана и Калужского государственного педагогического университета им. К.Э.Циолковского создан опытный образец гидропаровой турбины с Сегнеровым колесом мощностью 10-15 кВт, установленный в котельной МУП "Калугатеплосеть" микрорайона г.Калуги на правобережье р. Оки.

Гидропаровая турбина с одноступенчатым Сегнеровым колесом со 100% реактивностью, что исключает эрозию лопаточного аппарата, снабжена системой регулирования мощности и удаления неконденсирующихся газов.

В состав работающей гидропаровой турбинной установки входят:

- Сегнерово колесо,

- бойлер-конденсатор,

- конденсатный насос,

- система управления и автоматики,

- СН и РН - насосы сетевой и рециркуляционной воды.

На фиг.2 и 3 показаны разработанный по данному предложению опытный образец гидропаровой турбины мощностью 10-15 кВт и ее ротор.

Проведенные расчеты термодинамических свойств рабочего тела (пароводородной смеси с механической примесью в виде оксидов А1), расчеты газодинамического тракта турбины, мощностные расчеты практика эксплуатации опытного образца предлагаемой установки показали принципиальную возможность реализации простейшего теплового двигателя - Сегнерова колеса в качестве механического привода электрогенератора.

АСУ установки обеспечивает автоматизировать технологический процесс, включая подготовку к пуску, пуск и работу на всех режимах, а также останов плановый и аварийный без обслуживающего персонала. Управление осуществляется с помощью автоматизированного рабочего места (АРМ). Команды, вырабатываемые АРМ, через программу контроллера, поступают на исполнительные механизмы и устройства комплекса. Предусматривается два режима работы: автоматический и полуавтоматический с участием оператора.

Система контроля и измерения параметров энергоустановки обеспечивает сбор данных для анализа режима работы установки и ее эксплуатационных характеристик: температуры и давления в характерных точках схемы и агрегатов, времени пребывания алюминия в реакторе, состава парогазовой смеси на выходе из реактора, расхода компонентов суспензии и конденсата, температуры реактора, диффузора и конденсатора, концентрации водорода в помещении.

В установке предусмотрены следующие защиты и блокировки:

- повышения температуры реактора и парогазовой смеси свыше 400°С;

- превышении температуры корпуса Сегнерова колеса свыше 400°С;

- превышения давления в реакторе свыше 5,0 МПа;

- повышения концентрации водорода в помещении близкой к опасной;

- превышения скорости вращения турбогенератора свыше 9000об/мин;

- сбой в работе дозатора мелкодисперсного порошка алюминия. Автоматика установки прекращает подачу компонентов топлива при:

- падении температуры смеси на выходе из реактора ниже 250°С;

- прекращении подачи электроэнергии;

- неисправности КИП, средств автоматизации и сигнализации;

- обнаружении утечки газа;

- взрыве газовоздушных смесей и пожаре в помещении;

Список использованных источников

1. ЗАО НПВП "Турбокон". Энергосбережение в электроэнергетике с использованием турбин малой и средней мощности. Калуга, 2001.

2. "РОЭЛ". Электротехническая корпорация. Малая энергетика городов и поселков России. М., 1998 г.

3. ОАО "Калужский турбинный завод". Паровые турбины и турбогенераторы (номенклатурный перечень), 1995 г.

4. Патент РФ 2184244 Гидропаровая турбинная установка, 2000.

5. Патент РФ 2193669. Реактивная турбина, 2000.

6. Масленников М.М., Бехмаш Ю.Г., Шельман Ю.Н. Газотурбинные двигатели для вертолетов. - М.: Машиностроение, 1969.

7. Энергосберегающие технологии на базе гидропаровой турбины - Калуга-ЗАО НПВП "Турбокон", 2002.

8. Патент РФ 2158396. Способ сжигания металлосодержащих горючих. 2000.

9. Патент РФ 2165388. Способ получения водорода. 2001.

10. Мазалов Ю.А., Сороковиков А.И. Технологические основы сжигания алюминия в водных средах для получения водорода, тепловой энергии и оксидов А1. Труды 3й международной научно-технической конференции в ГНУ ВИЭСХ. - М., РАСХН.2003.

11. Берш А.В., Мазалов Ю.А. и др. Перспективы применения алюмоводородных технологий. Первая конференция по инновационной деятельности. - М. ОИВТ РАН, 2005.

12. Разработка фундаментальных принципов создания энергоустановок на альтернативных энергоносителях. Научно-технический отчет. НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН, 2006.

13. Алемасов В.А., Дрегалин А.Ф., Крюков В.Г., Наумов В.Н., Математическое моделирование высокотемпературных процессов в энергосиловых установках. М., Наука, 1989, 256 с.

14. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. Наука, М., 1976, 888 с.

15. Отчет о научно-исследовательской работе по теме 09.02.04.01 «Обосновать возможность применения Сегнерова колеса для энергетической установки на основе алюмоводородного генератора». М., ГНУ ГОСНИТИ, 2008

Энергетическая установка, содержащая реактор гидротермального окисления алюминия с узлами ввода в него водной суспензии алюминия, узлами вывода из него пароводородной смеси и водной суспензии гидроксидов алюминия, пароводородную турбину, генератор электроэнергии, конденсатор парогазовой смеси и отделитель водорода, отличающаяся тем, что в качестве турбины установка содержит Сегнерово колесо.