Бібліографічна посилання на цю статтю:
// Сучасна техніка і технології. 2012. № 3 [Електронний ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2012/03/313 (дата звернення: 07.02.2019).
анотація
Запропоновано до проектування «Енергетична установка для вироблення електричної напруги» із застосуванням ядерної міні - реактора, індукційного перегревателя пара, пристрої терморегулювання і дозування парогазової суміші, високотемпературних або ж навпаки низькотемпературних каскадів (батарей) паливних елементів в режимі теплового насоса.
З опису конструкції енергетичної установки для вироблення електричної напруги виключені опису конструкції ядерного міні - реактора, пристосувань для захисту персоналу від радіоактивного випромінювання, моніторингу та вимірювальної техніки, а також спеціалізованого електронного процесора для управління роботою реактора і всієї енергетичної установки, конструктивні особливості паропроводів і їх теплоізоляції , підготовка початкового запуску установки в роботу і т. д.
На рис. 1 (в додатку) вельми спрощено - схематично зображена принципова схема енергетичної установки для вироблення електричної напруги.
Енергетична установка містить високотемпературний ядерний міні - реактор 1 з температурою в активній зоні близько 600 - 900 градусів Цельсія, послідовно з ним встановлений індукційний перегрівник 2 пара до температури порядку 1350 - 1400 градусів, пристрій 3 терморегулювання і дозування парогазової суміші, що містить підігрівач кисневого газу, отриманого, наприклад, з атмосферного повітря, і він же охолоджувач для зниження температури паро - воднево - кисневої суміші від індукційного перегревателя 2 до температури трохи вище 1000 градусів, високотемпературний паливний воднево - кисневий елемент 4 (на прикладі одиничного елемента, а не батареї) в складі: пористий металевий трубчато - циліндричний електрод - анод 5, пористий металевий трубчато - циліндричний електрод - катод 6 і твердий оксид 7 (використовуваний в якості електроліту), при цьому перший вихід пристрою 3 терморегулювання і дозування парогазової суміші з'єднаний (через підігрівач кисневого газу) з першим входом 8 паливного елемента 4, другий вихід (вихід паропроводу від індукційного перегревателя 2 пара) - з входом 9 паливного елемента 4; змішувач 10 для суміші відпрацьованих парогазових продуктів з виходу 11 паливного елемента 4 з додатковим припливом свіжого пара (позначений стрілкою, джерело пара на рис. не показаний), при цьому вихід змішувача 10 з'єднаний з введенням ядерного міні - реактора 1; вихід 12 домішок відпрацьованого газу кисню, перетворювач 13 постійного струму в змінний потрібного напруги, в тому числі і напруги щодо високої частоти (близько 10 кГц), подлюченіе входом до електродів - анода 5 і катода 6. Конструктивні елементи енергетичної установки виявляються включеними в систему замкнутою термодинамічної циркуляції парогазової суміші в режимі теплового насоса.
У камері індукційного перегревателя 2 пара, яка є як би продовженням активної зони ядерного міні - реактора 1, найбільш ефективно застосувати індукційний нагрівач, що діє шляхом порушення струму всередині залізних стрижнів з температурою плавлення 1565 градусів, поміщених в ізолюючу спеціальну кераміку типу карборунда з температурою плавлення 2700 градусів, з платинованими порами - отворами в кераміці для проходження і перегріву пара, наприклад, від 600 - 900 градусів, що забезпечується ядерним міні - реактором 1, до 1350 - 1400 градусів, і розміщення в них тонко роздробленого паладію - другого каталізатора (першим каталізатором є платина), спочатку насиченого в промислових умовах воднем. Температура плавлення платини 1 769 градусів, паладію тисячі п'ятсот п'ятьдесят дві градуси. Соленоїд виконаний у вигляді металевої трубки, згорнутої в спіраль на ізолюючої кераміці, по якій в процесі природної або ж примусової циркуляції рухається вода для охолодження соленоїда. Соленоїд живиться струмом підвищеної частоти (близько 10 кГц і вище) від перетворювача 13 постійного струму в змінний (в свою чергу одержує електроенергію від паливного елемента 4).
Високотемпературний паливний воднево - кисневий елемент 4, в даному прикладі - твёрдооксідний паливний елемент, має вставлені один в інший з зазором пористі трубчато - циліндричні, наприклад, зі спеціально обробленого матеріалу - нікелю (що є одновремённо каталізатором), електроди, анод 5 і катод 6. між зовнішньою поверхнею трубчато - циліндричного електрода - анода 5 і внутрішньою поверхнею трубчато - циліндричного електрода - катода 6 розміщений твердий оксид 7 (наприклад, стабілізована ітрієм оки ь цирконію), який використовується в якості електроліту.
Утвориться в єдиному замкнутому термодинамическом циклі теплового насоса парогазова суміш з продуктами дисоціації води, тепер уже з температурою порядку трохи вище 1000 градусів, проходить через внутрішній обсяг трубчато - циліндричного електрода - анода 5 (через вхід 9 паливного елемента 4) і повертається (через вихід 11 паливного елемента 4) охолодженої до температури близько 500 градусів вже у вигляді пари (без вмісту водню) на вхід змішувача 10 для змішування відпрацьованого пара з додатковим припливом свіжого пара, і далі від НЕ про - на введення ядерного міні - реактора 1. Твёрдооксідний паливний елемент 4 не потребує застосування на його електродах 5, 6 таких дорогих каталізаторів, як платина і паладій. Для його роботи необхідна лише висока температура (близько 1000 градусів).
Потужність паливного елемента 4, як джерела постійного струму низької напруги, при забезпеченні концентрації і кількості необхідних газових реагентів буде тим більше, чим більше обрані поверхневі площі електродів 5, 6.
У загальному випадку, електроди 5, 6 паливного елемента 4 повинні бути підібрані за матеріалом або по додатковій його обробці таким чином, щоб вони мали високу електронну провідність, були хімічно інертні до пального (водню) і окислювача (кисню), а також до електроліту 7 , здатні активізувати контактують з ними гази, в тому числі, у присутності перегрітих водяної пари.
Твердий електроліт 7 паливного елемента 4 повинен володіти іонною провідністю і мати іонну будову. Для нього має бути характерно те, що з ростом температури ймовірність переходу іонів і дефектів в його кристалічній решітці зростає.
Таким чином, паливний елемент 4 - це електрохімічний пристрій, в позначеному прикладі працює при температурі трохи більше 1000 градусів і використовує з парогазової суміші газ - водень (паливо) з боку анода 5 і газ - кисень (окислювач) з боку катода 6. При цьому іони кисню з боку катода 6 проходять через твердий оксид 7, який використовується в якості електроліту (рух іонів в твердому електроліті відбувається від катода 6 до анода 5), і при високій температурі реагують з воднем на аноді 5 (анодне окислення палива). На аноді 5 (негативному електроді) виникає надлишок електронів - окислення водню, а на катоді 6 (позитивних пластинах) - відновлення кисню.
Утворені на негативному електроді - аноді 5 електрони по зовнішньому ланцюзі (через перетворювач 13 постійного струму в змінний щодо високої частоти) пересуваються до позитивного електрода - катода 6 (а іони кисню в твердому електроліті 7 переміщаються від катода 6 до анода 5), здійснюючи тим самим катодного відновлення окислювача.
В результаті хімічна енергія реакції в паливному елементі 4 безпосередньо перетворюється в електричну енергію, хоча і дуже низької напруги - порядку 1,1 В, але досить сильного струму, а отже і потужності. Для підвищення вихідного постійної напруги кілька паливних елементів можливо з'єднати послідовно в батареї, т. Е. Розташувати каскадом на подачі парогазової суміші - палива, і їх електричні висновки з'єднати послідовно. Для отримання необхідної потужності електричні висновки паливних елементів з'єднуються паралельно. При роботі паливного елемента 4 єдиним відходом є нешкідливий водяний пар.
Процес утворення водневого палива для воднево - кисневих паливних елементів енергетичної установки потребує додаткових пояснень.
Як відомо, молекули води мають більшу стійкість по відношенню до нагрівання. Однак при температурі значно вище 1000 градусів водяна пара починає помітно диссоциировать (розкладатися) на водень і кисень. Цей процес, природно, відбувається з поглинанням тепла. Підвищення температури (вище 1000 градусів) зрушує рівновагу вправо (т. Е. З великим освітою не пов'язаних один з одним молекул водню і кисню), причому при цьому на два обсягу водню утворюється один обсяг кисню. При охолодженні нижче 1000 градусів рівновагу практично повністю зсувається в бік утворення води - водяної пари.
Чистий суміш двох об'ємів водню і одного об'єму кисню називається гримучим газом, оскільки при підпалюванні такої суміші з'єднання газів відбувається практично миттєво в усій своїй масі і супроводжується сильним вибухом. Щоб викликати вибух суміші потрібно нагріти її хоча б в одному місці до 700 градусів. Продуктом горіння водню є вода. Гримучий газ - це газова суміш, яка містить за обсягом 66,7% водню і 33,3% кисню.
Оскільки гримучий газ має дуже високу жорсткість згоряння, а на його отримання потрібно затратити стільки ж теплової енергії, скільки її виходить при жорсткому згорянні (вибуху), то в чистому вигляді гримучий газ не може бути використаний як паливо для поршневих двигунів (в тому числі , з міркувань безпеки).
Істотно важливо те, що в процесі виробництва в тій чи іншій мірі розведеного гримучого газу - палива знижуються витрати на його виробництво за рахунок повторного використання тепла відпрацювала парогазової суміші в паливному елементі.
Загальновідомо, що, використовуючи тільки термічний метод розкладання водяної пари на водень і кисень, можливо отримувати навіть при температурі 2000 градусів ступінь дисоціації близько 1,8%, при цьому, якщо пар з продуктами дисоціації в сфері взаємодії охолодити до температури 1000 градусів Цельсія, то рівновага починає зрушуватися в бік утворення води - водяної пари.
Таким чином, використовуючи тільки термічний метод розкладання водяної пари на водень і кисень, реакція оборотна, але з підвищенням температури за 1000 градусів рівновагу з поглинанням тепла зсувається вправо з утворенням більшої концентрації двох обсягів водню і одного обсягу кисню - гримучого газу, розведеного водяною парою, а концентрація самого пара при цьому зменшується. Якщо ж при цьому постійно збільшувати (підтримувати) концентрацію водяної пари в сфері взаємодії, то рівновага весь час буде зміщуватися в бік реакції, що знижує концентрацію водяної пари і збільшує кількість гримучого газу в ньому.
Розрахунково реакція дисоціації водяної пари на водень і кисень протікає з достатньою швидкістю (необхідної для отримання палива в достатній кількості для роботи, наприклад, потужного по току паливного елемента) тільки при температурах не нижче 1300 градусів і поки ще (в даному прикладі) в присутності достатніх обсягів дорогих каталізаторів.
Введення платинового і паладій - водневого каталізаторів в рівноважну систему реакції дисоціації водяної пари на водень і кисень не змінює стану рівноваги, так як каталізатори в однаковій мірі прискорюють і пряму і зворотну реакції. Але застосування каталізаторів дає можливість значно прискорити настання рівноваги в реакції і в найбільш короткий і необхідний в практичному відношенні термін отримувати необхідну кількість гримучого газу, розведеного водяною парою, т. Е. Парогазової суміші - палива для воднево - кисневих паливних елементів.
Характерна особливість оборотних реакцій полягає в тому, що вони не доходять до кінця, якщо продукти реакції не видаляти зі сфери взаємодії. При незмінних умовах хімічну рівновагу може зберігатися як завгодно довго.
Але якщо продукти реакції швидко видаляти зі сфери їх утворення і різко охолоджувати, то нової реакції на цій вже стадії формування парогазової суміші, спрямованої як би в сторону освіти з гримучої газу - водню і кисню, не відбудеться, оскільки при низьких температурах рівновага не встигає відразу зміститися, а потім вже не зміщується з огляду на малій швидкості реакції, молекули водню, кисню і водяної пари виявляються вільними, причому молекули водню в парогазової суміші займають в два рази більший обсяг, ніж молекули до іслорода.
Суттєво важливим є те, що утворився в такому обсязі в парогазової суміші з температурою вище 1000 градусів водень вже може служити паливом для, наприклад, твёрдооксідних паливних елементів, не вимагаючи інших додаткових витрат енергії на виробництво ними потужного постійного електричного струму, який може бути перетворений в змінний струм потрібної частоти і напруги.
Високий коефіцієнт використання палива - водню з парогазової суміші, що досягається в високотемпературних паливних елементах, безперервність дії останніх, відсутність особливих обмежень у створенні потужних джерел електричної енергії (генераторів електричної енергії на паливних елементах) та інші переваги відкривають широкі перспективи застосування високотемпературних паливних елементів в області енергетики .
Недоліком розглянутої енергетичної установки щодо великої потужності є потреба застосування дорогих каталізаторів в процесі отримання парогазової суміші - палива з температурою вище 1000 градусів в достатній кількості і в короткий термін. Але при проектуванні енергетичних установок порівняно малої потужності необхідність застосування дорогих каталізаторів відпадає.
Платина і паладій, якщо вони застосовуються в індукційному перегрівачів 2 пара, високоефективні каталізатори. Вони чудові своєю здатністю поглинати величезну кількість водню (платина до 100, а паладій до 900 об'ємів на один обсяг металу). Платина і паладій, насичені воднем, здатні не тільки зберігати водень в адсорбованому стані, але і багато разів прискорювати при заданій температурі понад 1000 градусів процес дисоціації водяної пари на водень і кисень в об'ємній пропорції один до двох при правильно підібраних вихідних обсягах каталізаторів і концентрації пара.
Кілька більш докладно робота енергетичної установки, схематично зображеної на рис. 1, відбувається наступним чином.
Відпрацьована в паливному елементі 4 парогазова суміш, в основному у вигляді водяної пари з температурою, наприклад, 500 градусів (це температура відпрацювала парогазової суміші, що перетворилася в пару, вона знаходиться в залежності від габаритних розмірів паливного елемента 4, потужності вироблюваної електричної енергії, а також від ступеня теплової ізоляції тепломережі - системи паропроводів, по якій рухається пар в системі замкнутої циркуляції), надходить з головного виходу 11 паливного елемента 4 в змішувач 10 для змішування її з свіжим притік кому пара перед подачею на введення камери ядерного міні - реактора 1, яка переходить в камеру індукційного перегревателя 2 пара. З виходу 12 паливного елемента 4 йдуть інші включення в кисневий газ (сам кисень використаний паливним елементом 4).
В активній зоні - камері ядерного міні - реактора 1 (ядерного котла) водяна пара, в режимі рівномірного надходження з системи замкнутої циркуляції, прогрівається до температури 600 - 900 градусів перед остаточним входом в камеру індукційного перегревателя 2 пара, вже в якому водяна пара швидко нагрівається , например, в присутствии платино – палладиевых катализаторов, до температуры 1300-1400 градусов и превращается в парогазовую смесь, содержащую продукты диссоциации водяного пара.
Далі парогазова суміш з продуктами дисоціації водяної пари проходить через підігрівач кисневого газу в пристрої 3 терморегулювання і дозування парогазової суміші, який одновремённо є охолоджувачем парогазової суміші від індукційного перегревателя 2 пара до температури трохи вище 1000 градусів Цельсія, і надходить через вхід 9 в першу частину робочої зони паливного елемента 4, яку утворює пористий металевий трубчато - циліндричний електрод - анод 5. При цьому молекули водню, кисню і водяної пари окази аются вільними, причому на два обсягу водню в парогазової суміші доводиться один обсяг кисню, необхідні, як паливо, для роботи паливного елемента 4 з робочою температурою трохи більше 1000 градусів.
Підігрітий підігрівачем пристрої 3 кисневий газ надходить в газову камеру (другу частину робочої зони) паливного елемента 4, обмежену теплоізоляційним корпусом паливного елемента 4 і бічною поверхнею пористого металевого трубчато - циліндричного електрода - катода 6.
Кисень (окислювач) і водень (паливо) парогазової суміші, що надходять по різних каналах до паливного елементу 4, є необхідними реагентами для перетворення хімічної реакції в електричний струм. При цьому водень (паливо) і кисень (окислювач) проходять через стінки пористих трубчато - циліндричних електродів 5, 6 і повідомляються з іонопроводящім електролітом 7. Токообразующій процес відбувається на кордоні дотику електродів 5, 6 з електролітом 7.
Робота паливного елемента 4 заснована на реакціях віддачі і приєднання електронів: на аноді 5 (негативному електроді через надлишок знаходяться на ньому електронів) - окислення водню, на катоді 6 (позитивних пластинах) - відновлення кисню. У зовнішній електричного кола рух електронів направлено від негативного електрода - анода 5 до позитивного електрода - катода 6 через споживач електричної енергії, наприклад, в тому числі, через перетворювач 13 постійного струму в змінний підвищеної частоти - близько 10 кГц і вище. Змінний струм підвищеної частоти 10 кГц подається до індукційному нагрівача (соленоїда) в індукційному перегрівачів 2 пара.
В принципі можна застосувати й низькотемпературні паливні елементи. Але для цього необхідна модифікація пристрою 3 терморегулювання і дозування парогазової суміші: шляхом застосування на шляху паропроводу з продуктами дисоціації водяного холодильника - первинного просвітників пара, горизонтального промивача - виделітелей водню і кисню з парогазової суміші в циркуляційному водяному потоці з ємностями для збору водню і кисню.
Таким чином, вихід індукційного перегревателя 2 пари необхідно паропроводом для пара з продуктами дисоціації пропустити через додатково вводиться водяний холодильник - первинний образователь пара (на рис. Не показаний) з температурою понад 200 градусів. Далі, кінець цього паропроводу підвести в горизонтальний потік проточної води, що має задані в каналі потоку певні висоту і приплив води, що визначають її швидкість. У каналі потоку води встановити дві ємності для збору водню і кисню. Водень легше кисню, тому першим надходить водень в заглиблені в водяний потік ємність для збору водню. Ємність для збору кисню повинна бути встановлена по ходу припливу води в каналі на певній відстані від ємності для збору водню. При цьому водяна пара, охолоджуючись в потоці води, перетворюється в воду. Отримувані водень і кисень по роздільним каналам подаються в низькотемпературний паливний елемент, що перетворює хімічну реакцію в електричний струм.
Такий паливний елемент забезпечує високу щільність струму, працює при низьких температурах, а нерухомий твердий електроліт спрощує герметизацію паливного елемента і забезпечує більш тривалий термін його служби.
Використана література
1. Твёрдооксідний паливний елемент.
Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії.
2. Зирін А. В., Бондаренко Т. Н., Уваров В. Н.
Леговані нікеліти лантану як катоди твёрдоелектролітних паливних елементів. Водневе матеріалознавство і хімія гідридів металів. Київ, 2001, с. 770-773.
3. Бондаренко Т. Н., Зирін А. В.
Використання рентгенівської спектроскопії при вивченні електронної структури катодних матеріалів паливних елементів.
Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича. НАН України, м.Київ.
4. А. А. Кудрявцев
Складання хімічних рівнянь.
Москва, «Вища школа», 1991, с. 220-222.
Всі статті автора «Комаров Станіслав Григорович»
