Устройство генерации тепла

Полезная модель относится к устройствам генерации тепла, основанным на использовании в качестве рабочего вещества водородосодержащие материалы. В частности, к генерации тепла за счет реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный водород на поверхности катализатора. Устройство генерации тепла имеет термостойкую керамическую вкладку с каналом герметичной полости, заполненной рабочим веществом (смесью палладиевой черни с гидридом палладия) и затворами. Устройство снабжено нагревателем в виде нити или спирали для прямого нагрева рабочего вещества. С внешней стороны устройства корпус плотно охватывает теплообменник. Заявленное устройство дополнительно снабжено системой температурного контроля режима работы устройства и системой коммутации нагревателя.

Полезная модель относится к устройствам генерации тепла, основанным на использовании в качестве рабочего вещества водородосодержащие материалы. В частности, к генерации тепла за счет реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный водород на поверхности катализатора.

Известно устройство для генерирования тепла, основанное на использовании в качестве рабочего вещества изотопов водорода. Для генерирования тепловой энергии используют источник изотопных водородных атомов и материал, имеющий кристаллическую структуру и способный удерживать в своей структуре изотопные атомы водорода. Для внедрения потока атомов в материал подводят энергию. Атомы сжимают в кристаллической структуре материала при сохранении ее целостности до заданного уровня, при котором осуществляется генерация избыточного тепла. Химический потенциал материала, насыщенного изотопными атомами водорода, должен превышать пороговую величину, при которой происходит избыточное тепловыделение, определяемое как выделенное тепло, превышающее тепловой эквивалент растворения в материале атомов изотопов водорода. Концентрация атомов в кристаллической структуре материала должна превышать концентрацию атомов водорода в гидриде материала при нормальном давлении (см. Пат. РФ 2115178 G21B 1/00).

Известное устройство имеет недостатки:

- использование радиоактивных компонентов требует дополнительного контроля и может возникнуть опасность для обслуживающего персонала, для стабильной работы в известном устройстве требуется возбуждение рабочего вещества лучами или частицами с высокой энергией, периодический подвод энергии от лазера, что приводит к большим энергетическим затратам.

Известен способ получения свободных нейтронов, который включает помещение в герметически закрывающийся сосуд образца, выполненного из металла, способного к адсорбции и/или абсорбции изотопов водорода, наполнение сосуда газообразным дейтерием или газовой смесью, содержащей дейтерий и легкий изотоп водорода, изменение температуры и/или давления в сосуде. В качестве металла, из которого выполнен образец, используют химические элементы или сплавы, имеющие по крайней мере две равновесно сосуществующие изоструктурные по отношению одна к другой кристаллические фазы и дейтерида с меньшим и большим содержанием дейтерия соответственно. В известном способе используют дополнительный герметичный сосуд, соединенный с основным герметичным сосудом трубопроводом с запорным элементом и измерителем давления, при этом в дополнительный сосуд помещают дополнительный образец (Пат. РФ 2056656 МПК G21G 4/02, G21B 1/00).

Известный способ имеет недостатки:

- использование двух сосудов-реакторов вместо одного усложняет и удорожает конструкцию, снижает ее надежность и стабильность работы;

- большая инерционность устройства вследствие массивности затворов и наличия соединительной трубки замедляет десорбцию и сорбцию дейтерия и обусловленное ею фазовое превращение, вследствие этого скорость выделения энергии за счет ядерной реакции снижается;

- применение дейтерия как рабочего вещества, усложняет работу установки и требует дополнительного контроля в случае утечки через устройство газообразного дейтерия, который опасен для обслуживающего персонала;

- сложная система теплообмена реакционной зоны с теплоносителем, требующей дополнительной аппаратуры контроля;

- невысокая температура реакции требует тщательного подбора теплоносителя, что накладывает ограничения в использовании известного устройства, допустим, на теплоэлектростанциях. Из-за значительных теплопотерь в окружающее пространство неэффективно используется электроэнергия, питающая нагреватели.

Известно устройство для получения энергии при сорбции-десорбции дейтерия в тонкозернистом палладии (см. Пат. РФ 2195717 G21B 1). Известное устройство включает реактор с рабочим веществом, систему измерения и регулирования газового давления, систему нагрева и регулирования температуры, систему передачи и использования выделяемого тепла. Реактор выполнен в виде соосно расположенных труб, снабженных затворами, герметизирующими объем, в котором размещено рабочее вещество в виде порошка или пленки на подложке. Нагреватели размещены в концевых частях труб с возможностью создания переменного по направлению градиента температуры по продольной оси реактора. Теплообменник первичного контура прилегает к реактору непосредственно или через теплопередаюшую втулку со стороны, радиально противоположной положению нагревателей. Известное устройство основано на ядерной реакции взаимодействия атомов дейтерия, скорость которой возрастает в кристаллических структурах рабочих веществ, испытывающих обратимые изоструктурные фазовые превращения с изменением содержания в них дейтерия.

Известное устройство имеет недостатки:

- применение дейтерия как рабочего вещества, усложняет работу установки и требует дополнительного контроля в случае утечки через устройство газообразного дейтерия, сложная система теплобмена реакционной зоны с теплоносителем, требует дополнительной аппаратуры контроля, что опасно для обслуживающего персонала и не обеспечивает стабильную работу устройства;

- невысокая температура реакции требует тщательного подбора теплоносителя, что снижает эффективности работы известного устройства.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство генерации тепла (см. Pub. No.: US 20140326711 A1, H05B 1/02, G21B 3/00 Pub. Date: Nov. 6, 2014), которое включает герметичную капсулу из стали, внутри которой находится твердое соединение никеля и водорода.

Герметичная капсула из стали помещена в первую керамическую раковину, снаружи которой расположен нагревающийся элемент. Вторая керамическая раковина окружает нагревающийся элемент. Известное устройство включает в себя также средства температурного контроля и электрической коммутации нагревательных элементов. Работа известного устройства заключается в постоянном и/или периодическом нагреве твердого соединения никеля и водорода с помощью вмонтированных электронагревателей. Процесс сопровождается выделением значительного количества тепловой энергии на поверхности капсулы. Выходная сумма тепловой энергии, превышающей входную сумму энергии, полученной от нагрева герметичной капсулы. К недостаткам известного устройства можно отнести следующее:

- косвенный нагрев твердой смеси никеля с водородом через термостойкую керамику, который ведет к рассеиванию тепла, непродуктивному расходу электроэнергии, значительному времени на стартовый разогрев и большой тепловой инерционности известного устройства, что снижает эффективность преобразования электрической энергии в тепловую;

- устройство критично к способу отбора тепла, а также используемому теплоносителю, который может снизить температурный режим работы известного устройства ниже заявленной, что в свою очередь приведет к нестабильной работе известного устройства.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является повышение эффективности преобразования электрической энергии в тепловую, а также стабильность работы заявляемого устройства.

Технический результат достигается за счет повышения эффективности нагрева рабочего вещества в заявляемом устройстве, способу отбора тепловой энергии теплоносителем, что в комплексе повышает производительность заявляемого устройства и устраняет недостатки прототипа.

Указанный технический результат достигается за счет того в конструкции устройства генерации тепла, содержащем корпус в форме герметичной капсулы из стали, нагреватель, рабочее вещество, средства температурного контроля, герметичная капсула из стали расположена в термостойкой керамической вкладке, рабочее вещество состоит из смеси палладиевой черни с гидридом палладия, нагреватель выполнен в виде нити или спирали и расположен в герметичной полости для прямого нагрева рабочего вещества, с внешней стороны корпуса дополнительно установлен теплообменник в форме змеевика со штуцерами ввода и вывода теплоносителя.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена схема устройства генерации тепла.

Согласно предложению заявляемое устройство для генерации тепла состоит из корпуса 1 в форме цилиндрической герметичной капсулы из жаропрочной стали. Внутри корпуса 1, расположена керамическая вкладка 2, которая выполнена из термостойкой керамики (корунд, фарфор и другие). Керамическая вкладка 2 имеет герметичную полость 3 в форме сквозного канала с затворами 4, 5, которые совмещены с клеммами 6, 7 нагревателя 8. Нагреватель 8 в виде в виде нити или спирали размещен внутри канала герметичной полости 3, которая заполнена рабочим веществом 9 (смесью палладиевой черни с гидридом палладия). В канале герметичной полости 3 также расположен датчик температуры 10 с клеммами выводов 11, 12 для контроля температурного режима работы устройства. Корпус 1 с внешней стороны по продольной оси устройства плотно охватывает теплообменник 13, выполненного из медной трубы в форме змеевика, со штуцером ввода 14 и штуцером вывода 15 теплоносителя. Заявленное устройство дополнительно снабжено системой температурного контроля режима работы устройства и системой коммутации электронагревателя, на фиг. 1 не указаны.

Устройство генерации тепла работает следующим образом. На нагреватель 7 через клеммы 6, 7 подают электрический ток постоянного или переменного напряжения. Происходит разогрев нити или спирали нагревателя 7, в канале герметичной полости 3, заполненной рабочим веществом 9 и происходит его разогрев, сопровождающийся следующей химической реакцией. При достижении температуры 100°C, гидрид палладия переменного состава начинает активно выделять молекулярный водород. При этом возрастает давление водорода в герметичной полости 3 и палладиевая чернь в роли катализатора диссоциации/рекомбинации молекулярного водорода приходит в соприкосновение с молекулярным водородом. Процесс протекает по известной реакции, описанной в литературе, например: Панченков Г.М., Лебедев В.П. Химическая кинетика и катализ. - М.: Химия, 1985. С. 418-422; Лавренко В.А. Рекомбинация атомов водорода на поверхности твердых тел. - Киев: Наукова думка, 1985. С. 11-13. На поверхности палладиевой черни начинается процесс диссоциативной хемосорбции молекулярного водорода в атомарный водород и абсорбция атомарного водорода катализатором. Реакция абсорбции сопровождается поглощением энергии. По мере повышения температуры, скорость реакции абсорбции увеличивается, но уменьшается давление водорода над поверхностью катализатора. Количество абсорбированного водорода конечно и зависит от количества катализатора. По мере падения давления молекулярного водорода над поверхностью катализатора и насыщения катализатора атомарным водородом происходит обратная реакция десорбции атомарного водорода из катализатора. При этом на поверхности катализатора в момент выделения атомарного водорода начинается реакция рекомбинации атомарного водорода в молекулярный водород, сопровождающийся значительным выделением тепловой энергии и разогревом рабочего вещества 9 до более высокой температуры. По мере десорбции атомарного водорода из катализатора и рекомбинации в молекулярный водород в герметичной полости 3 вновь возрастает давление молекулярного водорода, и цикл диссоциативной хемосорбции возобновляется. Чтобы исключить равновесие обратимой реакции диссоциативной абсорбции/десорбции молекулярного водорода, согласно принципу Ле Шателье, необходимо отводить тепловую энергию от устройства. Для повышения стабильности работы устройства и уменьшения затраченной электрической энергии, нагреватель 8 периодически отключается управляющим устройство (на фигуре не указано). Режим периодического включения/отключения нагревателя 8 определяется температурой в герметичной полости 3 термостойкой керамической вкладки 2 с помощью расположенным в канале датчиком температуры 10 через клеммы выводов 11, 12. Тепловая энергия реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный водород передается рабочему веществу 9 в герметичную полость 3 с затворами 4, 5, затем термостойкая керамическая вкладка 2, которая в свою очередь нагревает стальной корпус 1 и через теплообменник 13 в форме змеевика со штуцерам ввода 14 и штуцером вывода 15 теплоносителя, вплотную прилегающий к корпусу 1, отводится теплоносителем для потребителей.

Применение палладия в рабочем веществе 9 устройства для генерации тепла в качестве катализатора диссоциации/рекомбинации молекулярного водорода в атомарный водород обусловлено более высоким сродством палладия к водороду, чем у других металлов. В частности, палладий лучше сорбирует молекулярный водород с последующей диссоциацией в атомарный водород на развитой поверхности палладиевой черни, чем никель. Палладий имеет больший коэффициент рекомбинации атомарного водорода в молекулярный при обратной десорбции, чем никель (См. Каталитические свойства вещество - справ / Под ред. В.А. Ройтера. Киев: Наук, думка, 1968. Стр. 722, 1002, 1005, 1028).

Таким образом устройство генерации тепла в результате выделения значительной тепловой энергии за счет химической реакции диссоциации молекулярного водорода на поверхности палладиевой черни, в роли катализатора данной реакции, в атомарный водород и обратной реакции рекомбинации атомарного водорода в молекулярный водород с высоким коэффициентом преобразования, чем достигается эффект повышения эффективности преобразования электрической энергии в тепловую. Благодаря прямому нагреву рабочего вещества от нагревателя устраняется инерционность системы при первоначальном разложения гидрида палладия, улучшается управляемость температурным режимом работы устройства, резко уменьшаются тепловые потери на косвенный нагрев элементов устройства, что повышает стабильность работы заявляемого устройства.

В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также решений с указанной совокупностью отличительных признаков.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленное устройство генерации тепла работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе.

Соответственно, заявляемая полезная модель на устройство генерации тепла может быть использовано для снабжения теплом жилых помещений, отдельных зданий промышленной и индивидуальной застройки, на тепловых электростанциях, транспорте и других отраслях промышленности.

Устройство генерации тепла, содержащее корпус в форме герметичной капсулы из стали, нагреватель, рабочее вещество, средства температурного контроля, герметичная капсула из стали расположена в термостойкой керамической вкладке, отличающееся тем, что рабочее вещество состоит из смеси палладиевой черни с гидридом палладия, нагреватель выполнен в виде нити или спирали и расположен в герметичной полости для прямого нагрева рабочего вещества, с внешней стороны корпуса дополнительно установлен теплообменник в форме змеевика со штуцерами ввода и вывода теплоносителя.