ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Область техники, к которой относится изобретение

(область применения изобретения)

Изобретение относится к экологически чистому автомобильному транспорту на основе использования энергоаккумулирующих веществ (ЭАВ) и может быть использовано не только в транспортном машиностроении, но и в энергетическом машиностроении для получения электрической энергии с помощью тепловых двигателей, работающих на водороде, получаемом из алюминиевых композитов при взаимодействии их с водой.

2. Уровень техники

(сведения об известных аналогах изобретения с выделением из них аналога, близкого к изобретению (прототипа))

Наиболее известным примером автомобиля на водороде является автомобиль с газогенератором для производства водорода на основе использования ЭАВ, выделяющие водород при химическом взаимодействии с водой [1]. Автомобиль 1, представленный на фиг.1, в котором для питания поршневого двигателя 2 водородом, в багажнике установлен генератор водорода 3. Конструктивная особенность генератора водорода 3 представлена на фиг. 2. Генератор водорода представляет собой реактор периодического действия. Реактор имеет цилиндрический корпус с приваренными днищами. В верхнем днище имеются четыре штуцера: для засыпки ЭАВ, подачи воды, отвода водорода и размещения термопар. В нижнем днище один штуцер для выгрузки продуктов реакции. Распределение жидкости в слое порошка обеспечивается разветленной системой каналов для ее подачи, состоящей из вертикального канала диаметром 8 мм, по высоте которого в трех местах установлены три штуцера диаметром 6 мм, заканчивающиеся наконечниками с цилиндрическими соплами по 9 штук диаметром 5 мм в каждом.

Недостатком данного устройства генератора является совмещение емкости ЭАВ с реакционной зоной, где вся масса ЭАВ участвует в химической реакции, создавая высокое избыточное давление, что приводит к увеличению массы реактора из-за увеличения толщины стенки. Следует отметить также, что для получения необходимого расхода водорода для питания ДВС в багажнике установлены два реактора 3, которые требуют постоянного пополнения их водой.

Для управления подачей водорода в двигатель предложена система управления подачи водорода (СУПВ) в двигатель, представленная на фиг. 3. СУПВ включает в себя распределитель управления электромагнитными клапанами 1, привод электрический 2, электромагнитный клапан 3, коллектор распределительный 4, трубопроводы 5, проставку 6, коллектор впускной 7 и двигатель 8. СУПВ работает следующим образом. В зависимости от очередности наполнения цилиндра двигателя 8, распределитель управления электромагнитными клапанами 1 посредством привода электрического 2 открывает соответствующий электромагнитный клапан 3, через который из коллектора распределительного 4 водород поступает по трубопроводам 5 во впускной коллектор 7 через проставку 6.

Недостатком данного устройства является невозможность поддержания необходимого состава горючей смеси при изменении режима работы двигателя в зависимости от режима движения автомобиля.

3. Раскрытие изобретения

(сведения, раскрывающие суть изобретения)

Самое экологически чистое топливо - водород. Продуктом горения водорода является вода, как видно из уравнения этой химической реакции 2Н ₂ + 0 ₂ = 2Н ₂ 0. Этот аспект и делает водород самым привлекательным видом топлива для автомобилей из всех существующих топлив на нашей планете.

Итак, при сгорании 1 кг Н2 выделяется 9 кг водяных паров. Известные технические решения устройства автомобилей, использующих ЭАВ, предполагают наличие запаса воды на борту автомобиля, что существенно увеличивает его массу. Например, для получения водорода из алюминия можно использовать свойство алюминия взаимодействовать с неконцентрированными кислотами:

соляной - 2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2;

серной - 2А1 + 3H2S04 = A12(S04)3 + ЗН2;

или с щелочами: 2А1 + 2NaOH + 2Н20 = 2NaA102 + ЗН2,

а при определённых условиях и с водой

2А1 + 6Н20 = 2А1(ОН)3 + ЗН2

или

2AI + ЗН20 = А1203 + ЗН2.

Известно, что молярная масса алюминия М=27 г/моль, что равно 0,027 кг/моль. Молярная масса водорода, состоящего из двух атомов составляет 2г/моль, что равно 0,002 кг/моль и молярная масса воды равна 18 г/моль. Отсюда получаем, что во всех этих реакциях из двух молекул алюминия получается три молекулы водорода. Значит, в реакции из каждых 0,054 кг алюминия и 0,054 воды получается 0,006 кг водорода. Во второй реакции алюминия с водой для получения А1203 также участвует 0,054 кг воды. В первой реакции количество воды для получения 2А1(ОН)3 будет участвовать в два раза больше. Несложными вычислениями получаем, что при химических реакциях с участием 1 кг алюминия и как минимум 1 кг воды получаем 0,111 кг водорода, объём которого при нормальных условиях составит 1,24 мЗ. Теперь посчитаем энергетическую ценность полученного водорода. Теплота сгорания водорода составляет 120 МДж/кг. Для полученного количества водорода количество энергии при его сгорании составит 13,32 МДж, что после перевода в более наглядные единицы измерения составит 3,7 кВт.ч. энергии. Если теплота сгорания бензина в среднем составляет 46 МДж/кг, то для замены энергии водорода, полученной из 1 кг алюминия понадобится 0,296 кг бензина.

Из этого следует, что для получения 1 кг Н2 эквивалентного 2,67 кг бензина необходимо 9 кг алюминия и минимум 9 кг воды, т.е. при сгорании водорода в двигателе образуется такое же количество воды (водяных паров), что и для его получения.

Целью данного изобретения является создание экологически чистого автомобиля на водороде, получаемого из ЭАВ, который оснащен замкнутой системой снабжения водой реактора генератора водорода, получаемой при конденсации водяных паров из отработавших газов, и быстрозаменяемыми картриджами, состоящие из цилиндрического корпуса и крышки, с установленными внутри корпуса водородогенерирующими элементами в виде пластин из алюминиевых композитов.

Указанная цель достигается следующим образом.

Автомобиль, содержащий двигатель внутреннего сгорания, оснащенный жидкостной системой охлаждения с основным радиатором, установленным перед двигателем и генератор водорода, работающий на основе взаимодействия алюминиевых композитов и воды, размещенный в багажнике, дополнительно снабжен системой охлаждения отработавших газов для автономного снабжения генератора водорода водой за счет конденсации водяных паров в отработавших газах. Система охлаждения отработавших газов подключена к выпускному коллектору двигателя, состоящая из расширителя, конденсатора, выполненного в виде газовоздушного теплообменника и накопительного бака для сбора конденсата воды и выпуска неконденсированных газов. Накопительный бак посредством трубопроводов подключен к генератору водорода, где

з подвод воды к последнему и ее циркуляция для интенсификации процесса вьщеления водорода осуществляется посредством насоса, установленного внутри накопительного бака, а отвод воды от генератора в накопительный бак, осуществляется через фильтр, установленный в корпусе генератора.

Генератор водорода состоит из индивидуальных реакторов, которые установлены в шахматном порядке в гнезда на верхней поверхности корпуса генератора, выполненные внутри корпуса в виде цилиндров с внутренней гладкой поверхностью и с внешним оребрением, образующие рубашку охлаждения между ними, подключенную к дополнительной жидкостной системе охлаждения, оснащенную дополнительным радиатором и автономным насосом, где дополнительный радиатор установлен перед основным радиатором системы охлаждения двигателя.

Индивидуальные реакторы генератора водорода выполнены в виде быстрозаменяемых картриджей, состоящих из цилиндрического корпуса и крышки, с установленными внутри корпуса водородогенерирующими элементами в виде пластин из алюминиевых композитов, где в верхней части корпуса под крышкой выполнены отверстия для подачи воды, а в нижней части корпуса установлен сетчатый фильтр для сбора продуктов реакции для их последующей переработки и отверстия для отвода воды, а в самой крышке выполнены отверстия для отбора водорода, которые посредством трубопроводов соединены с коллектором подачи водорода к двигателю.

Двигатель оснащен системой автоматического управления двигателем, включающей регулятор подачи воды, датчик расхода водорода, ресивер водорода и регулятор подачи водорода. Регулирование подачи необходимого количества водорода для работы двигателя в зависимости от режима движения автомобиля осуществляется посредством автоматического управления клапанами регулятора подачи воды. Подача воды к картриджам производится путем ступенчатой и дозированной подачей насосом из накопительного бака с корректировкой расхода посредством обратной связи от датчика расхода водорода, подключенного к коллектору генератора водорода и регулятора подачи его в двигатель, соединенного с датчиком расхода водорода через ресивер водорода, служащий для выравнивания пульсаций при, подаче водорода.

4. Краткое описание чертежей

(приводится перечень фигур с краткими пояснениями того, что на каждой из них изображено)

На фиг. 1 представлено устройство автомобиля на водороде, выбранного в качестве прототипа - автомобиль 1, в котором для питания поршневого двигателя внутреннего сгорания 2 водородом, в багажнике установлен генератор водорода 3.

На фиг. 2 представлен конструктивный разрез генератора водорода, который представляет собой реактор периодического действия.

На фиг. 3 представлена система управления подачи водорода в двигатель, которая включает в себя распределитель управления электромагнитными клапанами 1, привод электрический 2, электромагнитный клапан 3, коллектор распределительный 4, трубопроводы 5, проставку 6, коллектор впускной 7 и двигатель 8.

На фиг. 4 представлено устройство автомобиля на водороде без водорода на борту, которое состоит из поршневого двигателя 1, основного радиатора 3 жидкостной системы охлаждения двигателя, системы автоматического управления двигателем 4, регулятора подачи воды 5, накопительного бака 8, дополнительного радиатора 2 жидкостной системы охлаждения генератора водорода 6, насоса подачи воды 7 и системы охлаждения отработавших газов 9, подключенной к выпускному коллектору 10.

На фиг. 5 представлена функциональная схема предлагаемого устройства автомобиля, оснащенного генератором водорода, которая включает в себя дополнительный радиатор 1, установленный перед основным радиатором автомобиля, предназначенный для охлаждения генератора водорода, поршневой двигатель внутреннего сгорания 2, выпускной коллектор 3, расширитель 4 для конденсации водяных паров отработавших газов, регулятор 5 подачи водорода к форсункам впускной системы, ресивер водорода 6, предназначенный для снижения пульсаций подачи водорода, датчик расхода водорода 7, конденсатор 8 водяных паров отработавших газов, накопительный бак воды 9, насос 10 для циркуляции охлаждающей жидкости генератора водорода, генератор водорода 11, быстрозаменяемые картриджи 12 с пластинами на основе алюминиевых композитов, насос подачи воды 13, регулятор подачи воды 14, фильтр замкнутой системы циркуляции воды 15, система управления двигателем 16 с обратной связью по расходу водорода на выходе генератора, коллектор сбора водорода 17 от картриджей и коллектор 18 сбора циркулирующей воды через картриджи.

На фиг. 6 представлена зависимость объема выделившегося водорода от времени при Т=25С. Кривая 1 показывает зависимость объема выделившегося водорода при концентрации NaOH равной 3.0 г/моль. Кривая 2 показьшает зависимость объема выделившегося водорода при концентрации NaOH равной 0.9 г/моль.

На фиг. 7 представлен трехмерный вид генератора водорода по патенту на изобретение j4» 2407701.

На фиг. 8 представлена конструктивная схема генератора водорода по патенту на изобретение N° 2407701.

На фиг. 9 представлен анализ эквивалентных напряжений корпуса реактора при значении давления водорода равным 1 МПа.

5. Осуществление изобретения

(как может быть осуществлено изобретение с реализацией указанного назначения)

Реализация изобретения, предназначенного для автомобиля на водороде, представлена на фиг. 4. Автомобиль состоит из поршневого двигателя 1, оснащенного радиатором 3 системы охлаждения двигателя, системы автоматического управления двигателем 4 для подачи водорода в двигатель 1, которая управляет регулятором подачи воды 5 для получения водорода в генераторе 6 в зависимости от цикла движения автомобиля. Автомобиль оснащен системой охлаждения отработавших газов 9, которая подключена к выпускному коллектору 10 двигателя 1. В результате конденсации водяного пара, конденсат поступает в накопительный бак 8, где насосом подачи воды 7 через регулятор подачи воды 5 поступает в генератор водорода 6.

Принцип работы автомобиля поясняется, представленной на фиг. 5 функциональной схемой. Автомобиль на водороде работает следующим образом.

Перед началом эксплуатации автомобиля в генератор водорода 11 устанавливаются быстрозаменяемые картриджи 12. Картридж 12 выполнен в цилиндрическом корпусе, с установленными внутри корпуса водородогенерирующими элементами в виде пластин из алюминиевых композитов. В нижней части корпуса картриджа установлен сетчатый фильтр для сбора продуктов реакции и их последующей переработки и отверстия для отвода воды, которая через коллектор 18 и фильтр замкнутой системы циркуляции воды 15 поступает в накопительный бак 9. В верхней части корпуса под крышкой выполнены отверстия, через которые осуществляется распределенная и дозированная подача воды по картриджам регулятором подачи воды 14. При поступлении воды в картриджи начинается выработка водорода, который через специальные отверстия в крышке поступает в коллектор 17, где через датчик расхода водорода 7 поступает в ресивер водорода 6. В ресивере водорода 6 сглаживаются пульсации ступенчатой подачи водорода. Датчик расхода водорода 7 осуществляет обратную связь подачи воды в генератор 11 через систему управления двигателем 16 и регулятор подачи воды 14 посредством насоса 13.

Регулирование температуры в реакционной зоне генератора 11 осуществляется посредством циркуляции охлаждающей воды насосом 10 через радиатор жидкостный 1 , установленный перед основным радиатором автомобиля. Регулятором подачи водорода 5 осуществляется распределенная его подача к форсункам впускной системы двигателя 2.

Система охлаждения отработавших газов подключена вместо штатной системы выпуска отработавших газов к выпускному коллектору 3, которая состоит из расширителя 4 и конденсатора 8, где происходит конденсация водяных паров из отработавших газов, полученный конденсат поступает в накопительный бак воды 9, в котором производится и выпуск неконденсируемых газов.

Для указанных целей разработан сплав алюминия и едкого натра, благодаря которому оксидная плёнка на поверхности алюминия растворяется, и к поверхности алюминия открыт доступ для воды [2]. В качестве растворителя в данном сплаве используется щёлочь, а именно едкий натр (NaOH)

2А1 + 2NaOH + 10Н ₂ О = 2Na[Al(OH) ₄ (H ₂ 0) ₂ ] + ЗН ₂ .

Зависимость скорости выделения водорода от концентрации NaOH в растворе исследовали на образцах сплава алюминия следующего состава: А1 - 97,96 %; Си - 1 ,49 %; Мп - 0,53 %. В качестве примера на фиг. 6 приведены зависимости объема выделившегося водорода от времени. Эта зависимость была изучена на двух концентрациях NaOH. Было приготовлено два раствора с концентрациями NaOH 0,9 моль/л (мольные соотношения Al:NaOH=6:l) и 3 моль/л (мольные соотношения Al:NaOH=l :1). Температуру в реакторе поддерживали постоянной, равной 25°С.

Для вышеуказанного сплава был разработан экспериментальный газогенератор, который может производить до 700 л. водорода в час, на протяжении 8-и часов [3]. Генератор водорода, показанный на фиг. 7 представляет собой цилиндрическую ёмкость следующих размеров: 357 мм высота, 180 мм диаметр, максимальная ширина в верхней части 201 мм.

Корпус (поз. 2) газогенератора (фиг. 8) изготавливается из нержавеющей стали 300 мм высотой и 180 мм в диаметре. Толщина стенок по технологии 0,6 мм. Для усиления корпуса использована вьтуклость в верхней части корпуса (в рабочем чертеже отсутствует, т.к. запас прочности удерживается за счёт более толстых стенок). В корпусе имеются 4 отверстия, для последующего присоединения штуцеров (поз. 11) рабочего диаметра 1/2 дюйма. Сверху основной корпус будет закрывается легкосъемной крышкой (поз. 3), к которой приварены сверху ручка (поз. 10) для удобства открывания, а снизу по центру крепёжный элемент (поз. 4,5,6 и 7) для пластин из алюминиевого сплава с 10% содержанием едкого натра (активированный алюминий) (поз. 9).

Между основным корпусом бака и крышкой находится резиновая прокладка (поз. 8) для повышения герметичности газогенератора. Крепёжный элемент для пластин изготавливается из тефлона или оргстекла. В крепёжном элементе будут прорезаны пазы глубиной 2,5 мм и шириной 3 мм, в которые вставляются пластины активированного алюминия. Основные требования к крепёжному элементу пластин - лёгкость в обработке, дешевизна производства, способность выдержать температуру более 100 °С.

Пластины активированного алюминия изготавливаются из алюминиевой стружки, пудры, опилок и т.д. с добавлением в данную массу едкого натра по массе до 10% от общего количества. Пластины изготавливаются методом штамповки либо прессования. Внутри пластин должен находиться алюминиевый каркас лз тонкой алюминиевой проволоки. Основные требования - равномерность распределения едкого натра по объёму пластины, физическая устойчивость пластины к разрушению под действием давления и высокой температуры. Пластины имеют размеры 100 мм высота, 30 мм ширина, и 3 мм толщина.

Производительность алюминиевого сплава обуславливается процентным содержанием едкого натра в алюминии (не менее 10%), а также общей площадью поверхности композита алюминия, и температурой воды, подаваемой в реактор. Исследования показывают, что чем выше температура воды, тем быстрее протекает реакция, и тем большее количество водорода выделяется за заданное количество времени.

Реактор водорода работает при давлении 1,3 атмосферы (0,13 МПа). В расчете эквивалентных напряжений задавалось значение 1 МПа, что в 8 раз больше рабочего. Из расчетов на фиг. 9 видно, что максимальные напряжения находятся у отверстий для штуцеров. Минимальные напряжения у дна, сверху, и на выступе.

Система, производящая водород путём химической реакции воды и композита алюминия, имеет несколько степеней защиты от самопроизвольного возгорания или взрыва, а также от воздействия внешних факторов. Даже в случаи аварии автомобиля, и, как следствие повреждения реактора, не произойдет никакого взрыва. Рабочее давление в реакторе 1,3 атмосферы. Благодаря немедленному потреблению производимого водорода, он не скапливается, а сразу же сгорает в ДВС или на турбине. При разгерметизации реактора, из него вытечет вся вода, и водород перестанет вырабатываться.

Данная система может существовать автономно. Она может применяться как на автомобилях, так и на других объектах в качестве установки для производства водорода. Для заправки автомобиля необходимо лишь заменять картридж с композитом алюминия, и извлекать отработанную гидроокись алюминия.

Гидроокись алюминия является ценнейшим сырьём и может быть использована для повторного производства алюминия, или изготовления высокопрочных металл окерамических изделий и деталей. Переработка гидроокиси алюминия может осуществляться за счёт использования избыточных мощностей гидро- и атомных электростанций, что сделает её ещё более дешёвой и экономически выгодной.

Принцип работы автомобиля с водородной установкой заключается в следующем: в реактор загружается картридж композита алюминия. При запуске двигателя водяной насос закачивает воду в реактор. После этого немедленно начинает вырабатываться водород, который служит топливом для двигателя. После израсходования композита алюминия автомобиль необходимо заправить. Для этого требуется извлечь из реактора отработанный картридж, где находился композит алюминия, извлечь гидроокись алюминия, и вставить новый картридж с композитом алюминия. При заправке водородного автомобиля, в целях безопасности двигатель должен быть остановлен. При остановке двигателя, вода автоматически выливается из реактора, и химическая реакция прекращается.

Результаты представлены по научно-исследовательской работе, которая выполнена в рамках ФЦП Роснауки по Государственному контракту N° 02.516.11.6116 «Исследование и разработка технологий производства водорода на основе активированных алюминиевых композитов без редкоземельных металлов для энергетических установок».

Список использованных источников:

1. Варшавский И.Л. Энергоаккумулирующие вещества и их использование. - Киев: Наукова думка, 1980. - С. 79-105 с.

2. Композит на основе алюминия для генерирования водорода и способ его получения. Патент на изобретение JTs 2410325, МПК С01ВЗ/08, Опубл. 27.01.2011, Бюл. Jfe 3.

3. Генератор для производства водорода. Патент на изобретение N° 2407701, МПК С01ВЗ/08, B01J/02, Опубл. 27.12.2010, Бюл. JNb 36.