КОМАРОВ С.Г. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Ключевые слова: , , , , , ,


КОМАРОВ С.Г. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ


Библиографическая ссылка на статью:
// Современная техника и технологии. 2012. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/03/313 (дата обращения: 01.10.2017).

Аннотация

Предложена к проектированию «Энергетическая установка для выработки электрического напряжения» с применением ядерного мини – реактора, индукционного перегревателя пара, устройства терморегулирования и дозировки парогазовой смеси, высокотемпературных или же наоборот низкотемпературных каскадов (батарей) топливных элементов в режиме теплового насоса.

Из описания конструкции энергетической установки для выработки электрического напряжения исключены описания конструкции ядерного мини – реактора, приспособлений для защиты персонала от радиоактивного излучения, контрольных и измерительных приборов, а также специализированного электронного процессора для управления работой реактора и всей энергетической установки, конструктивные особенности паропроводов и их теплоизоляции, подготовка начального запуска установки в работу и т. д.

На рис. 1 (в приложении) весьма упрощённо – схематично изображена принципиальная схема энергетической установки для выработки электрического напряжения.

Энергетическая установка содержит высокотемпературный ядерный мини – реактор 1 с температурой в активной зоне порядка 600 – 900 градусов Цельсия, последовательно с ним установленный индукционный перегреватель 2 пара до температуры порядка 1350 – 1400 градусов, устройство 3 терморегулирования и дозировки парогазовой смеси, содержащее подогреватель кислородного газа, полученного, например, из атмосферного воздуха, и он же охладитель для снижения температуры паро – водородно – кислородной смеси от индукционного перегревателя 2 до температуры чуть выше 1000 градусов, высокотемпературный топливный водородно – кислородный элемент 4 (на примере единичного элемента, а не батареи) в составе: пористый металлический трубчато – цилиндрический электрод – анод 5, пористый металлический трубчато – цилиндрический электрод – катод 6 и твёрдый оксид 7 (используемый в качестве электролита), при этом первый выход устройства 3 терморегулирования и дозировки парогазовой смеси соединён (через подогреватель кислородного газа) с первым входом 8 топливного элемента 4, второй выход (выход паропровода от индукционного перегревателя 2 пара) – с входом 9 топливного элемента 4; смеситель 10 для смеси отработанных парогазовых продуктов с выхода 11 топливного элемента 4 с добавочным притоком свежего пара (обозначен стрелкой, источник пара на рис. не показан), при этом выход смесителя 10 соединён с вводом ядерного мини – реактора 1; выход 12 примесей отработанного газа кислорода, преобразователь 13 постоянного тока в переменный нужного напряжения, в том числе и напряжения относительно высокой частоты (порядка 10 Кгц), подлюченный входом к электродам – аноду 5 и катоду 6. Конструктивные элементы энергетической установки оказываются включенными в систему замкнутой термодинамической циркуляции парогазовой смеси в режиме теплового насоса.

В камере индукционного перегревателя 2 пара, которая является как бы продолжением активной зоны ядерного мини – реактора 1, наиболее эффективно применим индукционный нагреватель, действующий путём возбуждения тока внутри железных стержней с температурой плавления 1565 градусов, помещённых в изолирующую специальную керамику типа карборунда с температурой плавления 2700 градусов, с платинированными порами – отверстиями в керамике для прохождения и перегрева пара, например, от 600 – 900 градусов, обеспечиваемой ядерным мини – реактором 1, до 1350 – 1400 градусов, и размещения в них тонко раздробленного палладия – второго катализатора (первым катализатором является платина), изначально насыщенного в промышленных условиях водородом. Температура плавления платины 1769 градусов, палладия 1552 градуса. Соленоид выполнен в виде металлической трубки, свёрнутой в спираль на изолирующей керамике, по которой в процессе естественной или же принудительной циркуляции движется вода для охлаждения соленоида. Соленоид запитывается током повышенной частоты (порядка 10 Кгц и выше) от преобразователя 13 постоянного тока в переменный (в свою очередь получающем электроэнергию от топливного элемента 4).

Высокотемпературный топливный водородно – кислородный элемент 4, в данном примере – твёрдооксидный топливный элемент, имеет вставленные один в другой с зазором пористые трубчато – цилиндрические, например, из специально обработанного материала – никеля (являющегося одновремённо катализатором), электроды, анод 5 и катод 6. Между наружной поверхностью трубчато – цилиндрического электрода – анода 5 и внутренней поверхностью трубчато – цилиндрического электрода – катода 6 размещён твёрдый оксид 7 (например, стабилизированная иттрием окись циркония), который используется в качестве электролита.

Образующаяся в едином замкнутом термодинамическом цикле теплового насоса парогазовая смесь с продуктами диссоциации воды, теперь уже с температурой порядка чуть выше 1000 градусов, проходит через внутренний объём трубчато – цилиндрического электрода – анода 5 (через вход 9 топливного элемента 4) и возвращается (через выход 11 топливного элемента 4) охлаждённой до температуры порядка 500 градусов уже в виде пара (без содержания водорода) на вход смесителя 10 для смешивания отработанного пара с дополнительным притоком свежего пара, и далее от него – на ввод ядерного мини – реактора 1. Твёрдооксидный топливный элемент 4 не нуждается в применении на его электродах 5, 6 таких дорогих катализаторов, как платина и палладий. Для его работы необходима лишь высокая температура (около 1000 градусов).

Мощность топливного элемента 4, как источника постоянного тока низкого напряжения, при обеспечении концентрации и количества необходимых газовых реагентов будет тем больше, чем больше выбраны поверхностные площади электродов 5, 6.

В общем случае, электроды 5, 6 топливного элемента 4 должны быть подобраны по материалу или по дополнительной его обработке таким образом, чтобы они обладали высокой электронной проводимостью, были химически инертны к горючему (водороду) и окислителю (кислороду), а также к электролиту 7, способны активизировать контактирующие с ними газы, в том числе, в присутствии перегретых водяных паров.

Твёрдый электролит 7 топливного элемента 4 должен обладать ионной проводимостью и иметь ионное строение. Для него должно быть характерно то, что с ростом температуры вероятность перехода ионов и дефектов в его кристаллической решётке растёт.

Таким образом, топливный элемент 4 – это электрохимическое устройство, в обозначенном примере работающее при температуре чуть более 1000 градусов и использующее из парогазовой смеси газ – водород (топливо) со стороны анода 5 и газ – кислород (окислитель) со стороны катода 6. При этом ионы кислорода со стороны катода 6 проходят через твёрдый оксид 7, используемый в качестве электролита (движение ионов в твёрдом электролите происходит от катода 6 к аноду 5), и при высокой температуре реагируют с водородом на аноде 5 (анодное окисление топлива). На аноде 5 (отрицательном электроде) возникает избыток электронов – окисление водорода, а на катоде 6 (положительном электроде) – восстановление кислорода.

Образующиеся на отрицательном электроде – аноде 5 электроны по внешней цепи (через преобразователь 13 постоянного тока в переменный относительно высокой частоты) передвигаются к положительному электроду – катоду 6 (а ионы кислорода в твёрдом электролите 7 перемещаются от катода 6 к аноду 5), осуществляя тем самым катодное восстановление окислителя.

В итоге химическая энергия реакции в топливном элементе 4 непосредственно превращается в электрическую энергию, хотя и очень низкого напряжения – порядка 1,1 В, но довольно сильного тока, а стало быть и мощности. Для повышения выходного постоянного напряжения несколько топливных элементов возможно соединить последовательно в батареи, т. е. расположить каскадом на подаче парогазовой смеси – топлива, и их электрические выводы соединить последовательно. Для получения необходимой мощности электрические выводы топливных элементов соединяются параллельно. При работе топливного элемента 4 единственным отходом является безобидный водяной пар.

Процесс образования водородного топлива для водородно – кислородных топливных элементов энергетической установки нуждается в дополнительных пояснениях.

Как известно, молекулы воды имеют большую устойчивость по отношению к нагреванию. Однако при температуре значительно выше 1000 градусов водяной пар начинает заметно диссоциировать (разлагаться) на водород и кислород. Этот процесс, естественно, происходит с поглощением тепла. Повышение температуры (выше 1000 градусов) сдвигает равновесие вправо (т. е. с большим образованием не связанных друг с другом молекул водорода и кислорода), причём при этом на два объёма водорода образуется один объём кислорода. При охлаждении ниже 1000 градусов равновесие практически полностью сдвигается в сторону образования воды – водяного пара.

Чистая смесь двух объёмов водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом, поскольку при поджигании такой смеси соединение газов происходит практически мгновенно во всей её массе и сопровождается сильным взрывом. Чтобы вызвать взрыв смеси нужно нагреть её хотя бы в одном месте до 700 градусов. Продуктом горения водорода является вода. Гремучий газ – это газовая смесь, содержащая по объёму 66,7 % водорода и 33,3 % кислорода.

Поскольку гремучий газ имеет очень высокую жёсткость сгорания, а на его получение требуется затратить столько же тепловой энергии, сколько её получается при жёстком сгорании (взрыве), то в чистом виде гремучий газ не может быть использован в качестве топлива для поршневых двигателей (в том числе, по соображениям безопасности).

Существенно важно то, что в процессе производства в той или иной степени разбавленного гремучего газа – топлива снижаются затраты на его производство за счёт повторного использования тепла отработавшей парогазовой смеси в топливном элементе.

Общеизвестно, что, используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, возможно получать даже при температуре 2000 градусов степень диссоциации порядка 1,8 %, при этом, если пар с продуктами диссоциации в сфере взаимодействия охладить до температуры 1000 градусов Цельсия, то равновесие начинает сдвигаться в сторону образования воды – водяного пара.

Таким образом, используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, реакция обратима, но с повышением температуры за 1000 градусов равновесие с поглощением тепла сдвигается вправо с образованием большей концентрации двух объёмов водорода и одного объёма кислорода – гремучего газа, разбавленного водяным паром, а концентрация самого пара при этом уменьшается. Если же при этом постоянно увеличивать (поддерживать) концентрацию водяного пара в сфере взаимодействия, то равновесие всё время будет смещаться в сторону реакции, понижающей концентрацию водяного пара и увеличивающей количество гремучего газа в нём.

Рассчётно реакция диссоциации водяного пара на водород и кислород протекает с достаточной скоростью (необходимой для получения топлива в достаточном количестве для работы, например, мощного по току топливного элемента) только при температурах не ниже 1300 градусов и пока ещё (в данном примере) в присутствии достаточных объёмов дорогих катализаторов.

Введение платинового и палладие – водородного катализаторов в равновесную систему реакции диссоциации водяного пара на водород и кислород не изменяет состояния равновесия, так как катализаторы в одинаковой степени ускоряют и прямую и обратную реакции. Но применение катализаторов даёт возможность значительно ускорить наступление равновесия в реакции и в наиболее короткий и необходимый в практическом отношении срок получать необходимое количество гремучего газа, разбавленного водяным паром, т. е. парогазовой смеси – топлива для водородно – кислородных топливных элементов.

Характерная особенность обратимых реакций заключается в том, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удалять из сферы взаимодействия. При неизменных условиях химическое равновесие может сохраняться как угодно долго.

Но если продукты реакции быстро удалять из сферы их образования и резко охлаждать, то новой реакции на этой уже стадии формирования парогазовой смеси, направленной как бы в сторону образования из гремучего газа – водорода и кислорода, не произойдёт, поскольку при низких температурах равновесие не успевает сразу сместиться, а затем уже не смещается ввиду малой скорости реакции, молекулы водорода, кислорода и водяного пара оказываются свободными, причём молекулы водорода в парогазовой смеси занимают в два раза больший объём, чем молекулы кислорода.

Существенно важным является то, что образовавшийся в таком объёме в парогазовой смеси с температурой выше 1000 градусов водород уже может служить топливом для, например, твёрдооксидных топливных элементов, не требуя других дополнительных затрат энергии на производство ими мощного постоянного электрического тока, который может быть преобразован в переменный ток нужной частоты и напряжения.

Высокий коэффициент использования топлива – водорода из парогазовой смеси, достигаемый в высокотемпературных топливных элементах, непрерывность действия последних, отсутствие особых ограничений в создании мощных источников электрической энергии (генераторов электрической энергии на топливных элементах) и другие преимущества открывают широкие перспективы применения высокотемпературных топливных элементов в области энергетики.

Недостатком рассматриваемой энергетической установки относительно большой мощности является потребность применения дорогих катализаторов в процессе получения парогазовой смеси – топлива с температурой выше 1000 градусов в достаточном количестве и в короткий срок. Но при проектировании энергетических установок сравнительно малой мощности необходимость применения дорогих катализаторов отпадает.

Платина и палладий, если они применяются в индукционном перегревателе 2 пара, высокоэффективные катализаторы. Они замечательны своей способностью поглощать огромное количество водорода (платина до 100, а палладий до 900 объёмов на один объём металла). Платина и палладий, насыщенные водородом, способны не только хранить водород в адсорбированном состоянии, но и многократно ускорять при заданной температуре более 1000 градусов процесс диссоциации водяного пара на водород и кислород в объёмной пропорции один к двум при правильно подобранных исходных объёмах катализаторов и концентрации пара.

Несколько более подробно работа энергетической установки, схематически изображённой на рис. 1, происходит следующим образом.

Отработавшая в топливном элементе 4 парогазовая смесь, в основном в виде водяного пара с температурой, например, 500 градусов (это температура отработавшей парогазовой смеси, превратившейся в пар, она находится в зависимости от габаритных размеров топливного элемента 4, мощности вырабатываемой электрической энергии, а также от степени тепловой изоляции теплосети – системы паропроводов, по которой движется пар в системе замкнутой циркуляции), поступает с главного выхода 11 топливного элемента 4 в смеситель 10 для смешивания её со свежим притоком пара перед подачей на ввод камеры ядерного мини – реактора 1, которая переходит в камеру индукционного перегревателя 2 пара. С выхода 12 топливного элемента 4 уходят прочие включения в кислородный газ (сам кислород использован топливным элементом 4).

В активной зоне – камере ядерного мини – реактора 1 (ядерного котла) водяной пар, в режиме равномерного поступления из системы замкнутой циркуляции, прогревается до температуры 600 – 900 градусов перед окончательным входом в камеру индукционного перегревателя 2 пара, уже в котором водяной пар быстро нагревается, например, в присутствии платино – палладиевых катализаторов, до температуры 1300-1400 градусов и превращается в парогазовую смесь, содержащую продукты диссоциации водяного пара.

Далее парогазовая смесь с продуктами диссоциации водяного пара проходит через подогреватель кислородного газа в устройстве 3 терморегулирования и дозировки парогазовой смеси, который одновремённо является охладителем парогазовой смеси от индукционного перегревателя 2 пара до температуры чуть выше 1000 градусов Цельсия, и поступает через вход 9 в первую часть рабочей зоны топливного элемента 4, которую образует пористый металлический трубчато – цилиндрический электрод – анод 5. При этом молекулы водорода, кислорода и водяного пара оказываются свободными, причём на два объёма водорода в парогазовой смеси приходится один объём кислорода, необходимые, как топливо, для работы топливного элемента 4 с рабочей температурой чуть более 1000 градусов.

Подогретый подогревателем устройства 3 кислородный газ поступает в газовую камеру (вторую часть рабочей зоны) топливного элемента 4, ограниченную теплоизолирующим корпусом топливного элемента 4 и боковой поверхностью пористого металлического трубчато – цилиндрического электрода – катода 6.

Кислород (окислитель) и водород (топливо) парогазовой смеси, поступающие по разным каналам к топливному элементу 4, являются необходимыми реагентами для превращения химической реакции в электрический ток. При этом водород (топливо) и кислород (окислитель) проходят через стенки пористых трубчато – цилиндрических электродов 5, 6 и сообщаются с ионопроводящим электролитом 7. Токообразующий процесс происходит на границе соприкосновения электродов 5, 6 с электролитом 7.

Работа топливного элемента 4 основана на реакциях отдачи и присоединения электронов: на аноде 5 (отрицательном электроде из-за избытка находящихся на нём электронов) – окисление водорода, на катоде 6 (положительном электроде) – восстановление кислорода. Во внешней электрической цепи движение электронов направлено от отрицательного электрода – анода 5 к положительному электроду – катоду 6 через потребитель электрической энергии, например, в том числе, через преобразователь 13 постоянного тока в переменный повышенной частоты – порядка 10 Кгц и выше. Переменный ток повышенной частоты 10 Кгц подаётся к индукционному нагревателю (соленоиду) в индукционном перегревателе 2 пара.

В принципе применимы и низкотемпературные топливные элементы. Но для этого необходима модификация устройства 3 терморегулирования и дозировки парогазовой смеси: путём применения на пути паропровода с продуктами диссоциации водяного холодильника – первичного образователя пара, горизонтального промывателя – выделителя водорода и кислорода из парогазовой смеси в циркуляционном водяном потоке с ёмкостями для сбора водорода и кислорода.

Таким образом, выход индукционного перегревателя 2 пара необходимо паропроводом для пара с продуктами диссоциации пропустить через дополнительно вводимый водяной холодильник – первичный образователь пара (на рис. не показан) с температурой более 200 градусов. Далее, конец этого паропровода подвести в горизонтальный поток проточной воды, имеющем заданные в канале потока определённые высоту и приток воды, определяющие её скорость. В канале потока воды установить две ёмкости для сбора водорода и кислорода. Водород легче кислорода, поэтому первым поступает водород в заглубленную в водяной поток ёмкость для сбора водорода. Ёмкость для сбора кислорода должна быть установлена по ходу притока воды в канале на определённом расстоянии от ёмкости для сбора водорода. При этом водяной пар, охлаждаясь в потоке воды, превращается в воду. Получаемые водород и кислород по раздельным каналам подаются в низкотемпературный топливный элемент, преобразующий химическую реакцию в электрический ток.

Такой топливный элемент обеспечивает высокую плотность тока, работает при низких температурах, а неподвижный твёрдый электролит упрощает герметизацию топливного элемента и обеспечивает наиболее долгий срок его службы.

Использованная литература

1. Твёрдооксидный топливный элемент.

Материал из Википедии – свободной энциклопедии.

 2. Зырин А. В., Бондаренко Т. Н., Уваров В. Н.

Легированные никелиты лантана как катоды твёрдоэлектролитных топливных элементов. Водородное материаловедение и химия гидридов металлов. Киев, 2001, с. 770-773.

3. Бондаренко Т. Н. , Зырин А. В.

Использование рентгеновской спектроскопии при изучении электронной структуры катодных материалов топливных элементов.

Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича. НАН Украины, г. Киев.

 4. А. А. Кудрявцев

Составление химических уравнений.

Москва, «Высшая школа»,1991, с. 220-222.

 



Все статьи автора «Комаров Станислав Григорьевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: