ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА


RU (11) 2230401 (13) C2

(51) 7 H01M8/06, H01M14/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2002119800/09 
(22) Дата подачи заявки: 2002.07.22 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2002.07.22 
(43) Дата публикации заявки: 2004.02.10 
(45) Опубликовано: 2004.06.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2165388 C1, 20.04.2001. US 4218520 A, 19.08.1980. US 4198475 A, 15.04.1980. US 4150197 A, 17.04.1979. 
(72) Автор(ы): Семенов Ю.П. (RU); Соколов Б.А. (RU); Худяков С.А. (RU); Корольков В.И. (RU); Никитин В.А. (RU); Аракелов А.Г. (RU); Чернов С.В. (RU); Щербаков А.Н. (RU); Челяев В.Ф. (RU); Михайлов В.И. (RU); Игнатьев К.Ю. (RU); Кормилицин Ю.Н. (RU); Никифоров Б.В. (RU); Соколов В.С. (RU); Юрин А.В. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева" (RU); Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральное конструкторское бюро морской техники "Рубин" (RU) 
Адрес для переписки: 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина, 4а, ОАО РКК "Энергия" им. С.П. Королева, лаборатория промышленной собственности и инновации 

(54) ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ПОДВОДНОГО АППАРАТА 

Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА). Согласно изобретению в энергетическую установку ПА, содержащую электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, введены: емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены: датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода; в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены: датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора; в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены: управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции; в магистрали подачи воды последовательно установлены: регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды; в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены: управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи; а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды. Техническим результатом изобретения является получение водорода для работы энергоустановки более надежным, дешевым и пожаровзрывобезопасным способом, что значительно снизит стоимость эксплуатации энергоустановки, увеличит пожаровзрывобезопасность и уменьшит время готовности к работе энергоустановки. 1 ил.




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к энергетическим установкам (ЭУ), содержащим электрохимический генератор (ЭХГ) с водородно-кислородными топливными элементами, и может быть использовано в составе электроэнергетической системы (ЭЭС) подводного аппарата (ПА).

Известна ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, блок хранения криогенного кислорода, устройства хранения водорода в интерметаллидных соединениях (ИМС), способные поглощать или выделять газообразный водород (А.Н. Батырев, В.Д. Кошеверов, О.Ю. Лейкин. Корабельные ядерные энергетические установки зарубежных стран, С.-Петербург: Судостроение, стр. 236, 1994).

Недостатками аналога являются большая масса и стоимость ИМС. Процессы поглощения и выделения водорода идут соответственно с выделением или поглощением тепла при определенных температуре и давлении. В случае размещения устройств с ИМС вне прочного корпуса ПА, как это сделано в аналоге, задача обеспечения необходимого теплового режима с помощью теплоносителя существенно осложняется зависимостью температуры ИМС от температуры забортной воды.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой ЭУ является ЭУ ПА, содержащая подключенный к ЭЭС ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами и блоки хранения криогенных водорода и кислорода, размещенные вне прочного корпуса ПА (А.А. Постнов. Опытная подводная лодка проекта 613 Э с электрохимическими генераторами, Судостроение, 1998, №2, стр. 28).

Недостатками известной установки являются: потери при перевозке криогенного водорода на большие расстояния, перерасход водорода при заправке криогенного блока хранения. В процессе длительного хранения имеют место потери криогенного водорода и возникает необходимость непроизводительного удаления газообразного водорода.

Ограниченное время хранения водорода снижает готовность ПА к работе. Кроме того, блоки хранения криогенного водорода и кислорода, размещенные вне прочного корпуса ПА, являются пожаровзрывоопасными объектами и увеличивают сопротивление движению ПА.

Задачами предлагаемого изобретения являются: снижение стоимости установки, увеличение пожаровзрывобезопасности, уменьшение времени готовности к работе энергоустановки.

Техническим результатом использования изобретения является исключение необходимости создавать сложные дорогостоящие системы термостатирования жидкого криогенного водорода, необходимости длительного хранения и исключение несанкционированных утечек газообразного водорода с целью обеспечения пожаровзрывобезопасности, уменьшения времени подготовки к работе энергоустановки за счет уменьшения цикла выработки водорода в виде потребляемого компонента для ЭХГ.

Эти задачи решаются за счет того, что в энергетическую установку подводного аппарата, содержащую электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, введены: емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены: датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода; в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены: датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора; в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены: управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции; в магистрали подачи воды последовательно установлены: регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды; в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены: управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи; а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды.

Сущность изобретения представлена на чертеже, отображающем схему энергетической установки подводного аппарата, где

1 - электрохимический генератор (ЭХГ),

2 - магистраль питания кислородом ЭХГ,

3 - блок хранения кислорода,

4 - магистраль слива воды,

5 - емкость сбора воды,

6 - регулируемый насос,

7 - управляемый клапан подачи воды,

8 - магистраль подачи воды,

9 - блок смешивания и подачи щелочного раствора,

10 - магистраль подачи концентрированной щелочи,

11 - емкость хранения концентрированной щелочи,

12 - штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи,

13 - управляемый клапан подачи концентрированной щелочи,

14 - датчик концентрации концентрированной щелочи,

15 - датчик концентрации щелочного раствора,

16 - управляемый клапан щелочного раствора,

17 - магистраль подачи щелочного раствора,

18 - реактор,

19 - емкость хранения алюминия,

20 - газовая подушка,

21 - датчик давления водорода,

22 - магистраль выхода водорода,

23 - регулируемый клапан выдачи водорода,

24 - влагоотделитель от водорода,

25 - редуктор давления водорода,

26 - магистраль питания водородом ЭХГ,

27 - магистраль сбора воды,

28 - магистраль выхода продуктов реакции,

29 - управляемый клапан выхода продуктов реакции,

30 - теплообменник охлаждения продуктов реакции,

31 - управляемый клапан входа продуктов реакции,

32 - штуцер входа в емкость хранения концентрированной щелочи.

ЭХГ 1 магистралью питания кислородом ЭХГ 2 сообщен с блоком хранения кислорода 3. Газовая подушка 20 емкости хранения алюминия 19 связана магистралью выхода водорода 22 с магистралью питания водородом ЭХГ 26. На магистрали выхода водорода последовательно установлены датчик давления водорода 21, регулируемый клапан выдачи водорода 23, влагоотделитель от водорода 24, редуктор давления водорода 25.

Выход ЭХГ 1 с помощью магистрали слива воды 4 сообщен с первым входом емкости сбора воды 5, второй вход которой сообщен с влагоотделителем от водорода 24 магистралью 27.

Выход из емкости сбора воды 5 сообщен магистралью подачи воды 8 с первым входом блока смешивания и подачи щелочного раствора 9. В магистрали подачи воды 8 последовательно установлены регулируемый насос 6 и управляемый клапан подачи воды 7.

Второй вход в блок смешивания и подачи щелочного раствора 9 через штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи 12 сообщен магистралью подачи концентрированной щелочи 10 с выходом из емкости хранения концентрированной щелочи 11. На магистрали подачи концентрированной щелочи 10 последовательно установлены управляемый клапан подачи концентрированной щелочи 13 и датчик концентрации концентрированной щелочи 14.

Выход из блока смешивания и подачи щелочного раствора 9 связан магистралью подачи щелочного раствора 17 со входом в реактор 18, который установлен в нижней части емкости хранения алюминия 19. На магистрали подачи щелочного раствора 17 последовательно установлены управляемый клапан подачи щелочного раствора 16 и датчик концентрации щелочного раствора 15.

Выход из реактора 18 связан с емкостью хранения концентрированной щелочи 11 через штуцер входа в емкость хранения концентрированной щелочи 32. На магистрали выхода продукта реакции 28 последовательно установлены управляемый клапан выхода продуктов реакции 29, теплообменник охлаждения продуктов реакции 30 и управляемый клапан входа продуктов реакции 31.

Энергетическая установка работает следующим образом.

Для обеспечения работы ЭХГ требуется подвести водород, кислород и отвести образующиеся тепло и воду. Кислород поступает в ЭХГ 1 по магистрали питания кислородом 2 из блока хранения кислорода 3. Вода по магистрали слива воды 4 поступает в емкость сбора воды 5.

Для получения раствора щелочи, необходимого для проведения реакции, вода через регулируемый насос 6 и открытый управляемый клапан подачи воды 7 поступает под большим давлением в магистраль подачи воды 8. По магистрали подачи концентрированной щелочи 10 она поступает в блок смешивания и подачи щелочного раствора 9, где происходит смешивание щелочи высокой концентрации с водой с образованием раствора щелочи, необходимого для реакции, например, 20% концентрации. Через датчик концентрации щелочного раствора 15, открытый управляемый клапан щелочного раствора 16, по магистрали подачи щелочного раствора 17 щелочной раствор поступает в реактор 18. Необходимое количество алюминия поступает в реактор 18 из емкости хранения алюминия 19 по мере его выработки. Образование раствора щелочи, необходимого для проведения реакции, достигается в блоке смешивания и подачи щелочного раствора 9 за счет подачи необходимого количества воды, которое определяется по датчику концентрации концентрированной щелочи 14 и контролируется датчиком концентрации щелочного раствора 15. Водород, образовавшийся в реакторе 18 в результате реакции, подробно описанной в патенте США №4218520, поступает в магистраль питания водородом ЭХГ 26. Давление водорода контролируется датчиком давления 21. Через открытый регулируемый клапан выдачи водорода 23 водород поступает во влагоотделитель от водорода 24 и редуктор давления водорода 25, и далее в ЭХГ 1 по магистрали питания водородом ЭХГ 26.

В ЭХГ 1 в результате реакции соединения водорода, поступающего по магистрали 26, и кислорода, поступающего по магистрали 2, образуется вода, которая по магистрали 4 стекает в емкость сбора воды 5. Вода, накопившаяся во влагоотделителе от водорода 24, также стекает в емкость сбора воды 5 по магистрали сбора воды 27.

Продукты реакции, образовавшиеся в реакторе 18, по магистрали выхода продуктов реакции 28, через открытый управляемый клапан выхода продуктов реакции 29, теплообменник охлаждения продуктов реакции 30, открытый управляемый клапан входа продуктов реакции 31 и штуцер входа 32 поступают в емкость хранения концентрированной щелочи 11, вытесняя концентрированную щелочь через штуцер выхода из емкости хранения концентрированной щелочи 12 в магистраль подачи концентрированной щелочи 10.

Образующееся в ЭХГ 1 тепло отводится и утилизируется (на чертеже не показано).

Снижение времени готовности к работе заявляемой энергоустановки по сравнению с прототипом связано с тем, что заправка необходимыми продуктами реакции для получения водорода (гранулированным алюминием и концентрированной щелочью), а также слив продуктов реакции требуют значительно меньше времени по сравнению с заправкой жидким водородом. Это связано с тем, что при заправке жидким водородом необходимо длительное полоскание емкостей сначала азотом для удаления воздуха, затем водородом. После этого требуется длительное захолаживание. Все это связано с дополнительными расходами компонентов и времени готовности к работе. Работы с жидким водородом связаны с повышенными требованиями пожаровзрывобезопасности.

Исходные компоненты для получения водорода не являются пожаровзрывоопасными и подлежат безопасному длительному хранению.

Снижение стоимости установки связано с тем, что продукт реакции 2AlNaO2 является ценным промышленным сырьем. Гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты выращиваются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или берилия соответственно. Это значительно снижает стоимость эксплуатации энергоустановки.

Учитывая вышеизложенное, изобретение позволяет получить водород для работы энергоустановки более надежным, дешевым и пожаровзрывобезопасным способом, что значительно снизит стоимость эксплуатации энергоустановки, увеличит пожаровзрывобезопасность и уменьшит время готовности к работе энергоустановки. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Энергетическая установка подводного аппарата, содержащая электрохимический генератор с магистралью питания кислородом, соединенной с блоком хранения кислорода, с магистралью питания водородом, с магистралью слива воды, соединенной с емкостью сбора воды, отличающаяся тем, что в нее введены емкость хранения алюминия с газовой подушкой и реактор, установленный в нижней части емкости, блок смешивания и подачи щелочного раствора, емкость хранения концентрированной щелочи со штуцерами входа и выхода, магистраль выхода водорода, связанная с газовой подушкой емкости хранения алюминия и магистралью питания водорода, магистраль подачи щелочного раствора, связанная с входом в реактор и выходом из блока смешивания и подачи щелочного раствора, магистраль выхода продуктов реакции, связанная с выходом из реактора и штуцером входа в емкость хранения концентрированной щелочи, магистраль подачи концентрированной щелочи, связанная со штуцером выхода из емкости хранения концентрированной щелочи и входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора; магистраль подачи воды, связанная с выходом из емкости сбора воды и вторым входом в блок смешивания и подачи щелочного раствора, при этом в магистрали выхода водорода последовательно установлены датчик давления водорода, регулируемый клапан выдачи водорода, влагоотделитель от водорода и редуктор давления водорода, в магистрали подачи щелочного раствора последовательно установлены датчик концентрации щелочного раствора и управляемый клапан подачи щелочного раствора, в магистрали выхода продуктов реакции последовательно установлены управляемый клапан выхода продуктов реакции, теплообменник охлаждения продуктов реакции, управляемый клапан входа продуктов реакции, в магистрали подачи воды последовательно установлены регулируемый насос и управляемый клапан подачи воды, в магистрали подачи концентрированной щелочи последовательно установлены управляемый клапан подачи концентрированной щелочи и датчик концентрации концентрированной щелочи, а влагоотделитель от водорода соединен магистралью сбора воды со вторым входом емкости сбора воды.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru