Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 16
1.1. Проблема аккумулирования энергии 16
1.1.1. Системы аккумулирования электрической энергии 16
1.1.2. Неорганические энергоаккумулирующие вещества 20
1.1.2.1. Водород 20
1.1.2.2. Алюминий 21
1.2. Способы преобразования химической энергии алюминия в электрическую энергию. 22
1.2.1. Электрохимическое окисление алюминия 22
1.2.2. Химическое окисление алюминия в воде 24
1.2.2.1. Химическое окисление алюминия в водных растворах щелочей 24
1.2.2.2. Механохимическая активация алюминия 26
1.2.2.3. Механическая активация алюминия 27
1.3. Гидротермальное окисление алюминия 29
1.4. Выводы 35
Глава 2. Кинетика гидротермального окисления алюминия и свойства твердых продуктов реакции 38
2.1. Методика эксперимента 38
2.2. Методика обработки экспериментальных данных 41
2.2.1. Расчет скорости окисления и степени превращения 41
2.2.2. Определение энергии активации 45
2.3. Методы исследования порошков алюминия и продуктов их окисления 45
2.3.1. Гранулометрический анализ 46
2.3.2. Сканирующая электронная микроскопия 46
2.3.3. Рентгенофазовый анализ 46
2.3.4. Адсорбционный анализ 47
2.3.5. Анализ пористой структуры 47
2.3.6. Масс-спектрометрия 47
2.4. Результаты и их обсуждение 47
2.4.1. Физико-химические свойства исходных порошков алюминия 47
2.4.2. Кинетика окисления порошков алюминия 49
2.4.3. Физико-химические свойства продуктов окисления 59
2.4.3.1. Морфология поверхности 59
2.4.3.2. Фазовый состав и область когерентного рассеяния 59
2.4.3.3. Удельная поверхность 63
2.4.3.4. Пористость 63
2.4.3.5. Химический состав 65
2.5. Выводы 66
Глава 3. Непрерывный режим работы реактора гидротермального окиеления алюминия 68
3.1. Методика расчета параметров реактора непрерывного действия 68
3.1.1. Модель реактора непрерывного действия 68
3.1.2. Необходимые условия идеального непрерывного режима работы реактора 69
3.1.3. Расчет термодинамических параметров реактора 70
3.1.4. Расчет необходимого объема реактора 73
3.2. Методика эксперимента 74
3.3. Результаты расчетов 76
3.3.1. Термодинамические параметры реактора 76
3.3.2. Необходимый объем реактора 79
3.4. Результаты экспериментов 80
3.5. Выводы 83
Глава 4. Экспериментальная когенерационная энергетическая установка КЭУ-10 85
4.1. Состав экспериментальной установки 85
4.1.1. Реакторный блок 87
4.1.2. Электрохимический генератор 89
4.1.3. Система преобразования и распределения электрической энергии 90
4.2. Методика испытаний 90
4.3. Результаты испытания 93
4.4. Стоимость вырабатываемой электрической энергии 99
4.5. Выводы 100
Глава 5. Схемы перспективных энергетических установок на основе реакторов гидротермального окисления алюминия. Эффективность использования алюминия в качестве энергоносителя 101
5.1. Выбор принципиальных способов утилизации пароводородной смеси 102
5.2. Расчет пароводородной расширительной машины 103
5.2.1. Обратимое адиабатное расширение пароводородной смеси 105
5.2.2. Необратимое адиабатное расширение пароводородной смеси 107
5.3. Расчет схем утилизации пароводородной смеси 109
5.3.1. Исходные данные 109
5.3.2. Схема на основе топливных элементов 110
5.3.3. Схемы на основе традиционных теплосиловых установок 113
5.3.3.1. Простая схема без регенерации тепла 113
5.3.3.2. Схемы с регенерацией тепла 117
5.3.3.3. Бинарные схемы 126
5.3.4. Схема без сжигания водорода 127
5.4. Эффективность использования алюминия в качестве энергоносителя 128
5.4.1. Анализ процесса производства алюминия 128
5.4.1.1. Геология алюминия 128
5.4.1.2. Производство глинозема 129
5.4.1.3. Электролитическое производство алюминия 130
5.4.1.4. Материальный и энергетический балансы производства алюминия 132
5.4.1.5. Переработка алюминия 133
5.4.2. Эффективность аккумулирования энергии с помощью алюминия 134
5.4.3. Масштабы использования алюминия в энергетике 135
5.4.4. Экономические аспекты и области применения алюминия в энергетике 136
5.5. Выводы 137
Заключение 140
Литература 142
- Методика эксперимента
- Термодинамические параметры реактора
- Результаты испытания
- Схемы с регенерацией тепла
Введение к работе
Актуальность темы
Аккумулирование энергии и передача ее на расстояние могут быть осуществлены с помощью неорганических энергоаккумулирующих веществ (НЭАВ) [1]. До настоящего времени основное внимание среди НЭАВ, главным образом, было сфокусировано на водороде. Интерес к использованию его в качестве энергоносителя привел к образованию в энергетике отдельной области исследований, известной как «водородная энергетика». Исследования в этой области активно ведутся уже на протяжении нескольких десятилетий, однако до сих пор остаются нерешенными одни из ее изначальных проблем -проблемы хранения и транспортировки водорода [2, 3].
Проблемы водородной энергетики повышают интерес к твердофазным НЭАВ, в частности к алюминию. Хранение и транспортировка алюминия проблем не вызывает. В случае с алюминием на первый план встает проблема реализации процесса его окисления в составе энергетической установки. От способа ее решения зависит эффективность использования алюминия в качестве энергоносителя и возможные области его применения в энергетике. При этом особое внимание должно уделяться стоимости готового к использованию в составе энергетической установки алюминия и эффективности преобразования его химической энергии в полезные виды энергии.
Одним из способов окисления алюминия, который может быть использован в составе энергетических установок, является окисление алюминия в гидротермальных условиях. Преимуществами данного способа применительно к энергетике являются возможность использования в качестве исходных реагентов промышленных микронных порошков алюминия и воды без каких-либо примесей и активационных добавок, а также относительно высокий температурный потенциал продуктов реакции, в частности пароводородной смеси. В ходе предыдущих исследований [4, 5] было разработано аппаратурное оформление для осуществления реакции гидротермального окисления алюминия (ГТОА), отработаны технологии подачи исходных реагентов в опытный реактор ГТОА и вывода из него продуктов окисления, экспериментально определены диапазоны температур и давлений, обеспечивающие высокую скорость ГТОА, а также отработан периодический режим работы опытного реактора. Однако для внедрения реактора ГТОА и его эффективного использования в составе энергетических установок данных результатов недостаточно.
Для создания энергетических установок на основе ГТОА необходимо исследование и экспериментальное осуществление непрерывного режима
работы реактора ГТОА, а также разработка и экспериментальная реализация научно обоснованных способов преобразования тепла и продуктов реакции в полезные виды энергии.
Цель работы
Расчетное и экспериментальное исследование процесса
гидротермального окисления алюминия (ГТОА) в реакторе непрерывного действия для обоснования возможности эффективного использования ГТОА в составе энергетических и энерготехнологических установок.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
Экспериментальное исследование кинетики ГТОА для установления количественной зависимости характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения промышленных микронных порошков алюминия в опытном реакторе от температуры.
Изучение морфологии поверхности, пористой структуры и фазового состава твердых продуктов ГТОА, полученных при различных температурах.
Математическое моделирование работы реактора ГТОА непрерывного действия.
Экспериментальное осуществление непрерывного режима работы опытного реактора ГТОА. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов.
Создание и исследование рабочих параметров экспериментальной когенерационной энергетической установки КЭУ-10 на основе реактора ГТОА непрерывного действия и батареи водородно-воздушных топливных элементов (ВВТЭ) с твердополимерным электролитом. Разработка алгоритма работы КЭУ-10. Определение основных технико-экономических характеристик КЭУ-10 на основе результатов испытаний.
Разработка и математическое моделирование принципиальных схем перспективных энергетических установок на основе реакторов ГТОА.
Научная новизна работы
1. Установлена количественная зависимость характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения порошков алюминия с удельной площадью поверхности от 0.07 до 0.5 м /г в опытном реакторе в условиях
1 Число 10 в обозначении «КЭУ-10» означает проектную производительность данной установки по водороду -10 нм3/час.
влажного насыщенного водяного пара от температуры в диапазоне 230-370 С.
Впервые определены закономерности изменения морфологии поверхности, пористой структуры, величины удельной поверхности и среднего размера кристаллов твердых продуктов ГТОА, получаемых в опытном реакторе в условиях влажного насыщенного водяного пара, при изменении температуры в диапазоне 230-370 С. Показано, что с увеличением температуры увеличивается средний размер кристаллов, уменьшается удельная поверхность, уменьшается удельный объем микропор и увеличивается удельный объем мезо- и макропор твердых продуктов ГТОА.
Разработана математическая модель реактора ГТОА непрерывного действия, на основе которой установлена взаимосвязь между значениями массового отношения воды к алюминию в подаваемой в реактор алюмоводной суспензии ср, поддерживаемого в реакторе давления Р и равновесной температуры в реакторе Т в ходе непрерывного режима его работы, установлена зависимость массовых и тепловых потоков на выходах из реактора ГТОА в зависимости от ср и Р, определены границы существования в реакторе влажного насыщенного водяного пара в области параметров (<р, Т, Р), определена оптимальная область параметров (<р, Т, Р), обеспечивающая, как высокую скорость окисления алюминия, так и высокую термодинамическую эффективность реактора ГТОА непрерывного действия. Проведена оценка необходимого для организации непрерывного процесса ГТОА объема реактора в зависимости от его производительности, поддерживаемых в нем термодинамических параметров и дисперсности используемого порошка.
Впервые реализован непрерывный режим работы реактора ГТОА. Показано, что экспериментально определенные значения установившейся температуры реактора, а также массовых и тепловых потоков на выходах из реактора находятся в удовлетворительном соответствии с результатами расчетов.
Впервые создана энергетическая установка (КЭУ-10) на основе реактора ГТОА непрерывного действия и батареи твердополимерных ВВТЭ. Разработан алгоритм работы КЭУ-10. Проведены испытания КЭУ-10 в автономном режиме с выработкой электрической энергии, тепла и компримированного (до 10 МПа) водорода. В результате испытаний КЭУ-10 установлено, что при условии использования получаемого водорода в ВВТЭ полезная электрическая мощность установки достигает 10 кВт, потребление собственных нужд - 4.6 кВт, электрический КПД - 12 %, коэффициент использования топлива - 72 %.
6. Предложены принципиальные схемы перспективных энергетических установок, использующих реакторы ГТОА в качестве генераторов парово дородной смеси, и рассчитаны их термодинамические параметры. Показана теоретическая возможность повышения электрического КПД энергетических установок на основе ГТОА до 30-40 %.
Практическая значимость работы
В результате выполненных исследований и разработок показана возможность и определены условия для использования реакторов ГТОА для энергетических (производство электрической энергии и тепла) и энерготехнологических (дополнительное производство товарных продуктов окисления алюминия) применений.
Результаты исследования кинетики ГТОА и изучения физико-химических свойств твердых продуктов реакции, а также методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия могут быть использованы при проектировании реакторов ГТОА и оптимизации режимных параметров их работы. Показано, что для повышения скорости реакции и степени превращения алюминия реакцию его окисления в составе энергетических установок целесообразно проводить в области влажного водяного пара при как можно более высоких температурах, а при использовании реактора ГТОА для производства товарных окислов алюминия термодинамические условия в реакторе должны определяться требованиями к твердым продуктам окисления. Показана возможность целенаправленного производства способом ГТОА нанокристаллических оксидов и гидроксидов алюминия с заданными физико-химическими свойствами. Полученные в результате ГТОА твердые продукты могут быть использованы не только для регенерации алюминия, но и реализованы в таких областях, как производство сорбентов, катализаторов, огнеупоров, прекурсоров лейкосапфиров, подложек микросхем, ювелирных изделий и др.
Экспериментальная установка КЭУ-10 является прототипом промышленных энергетических установок на основе ГТОА. Результаты, полученные в ходе создания и испытаний КЭУ-10, должны стать основой проектирования будущих установок на основе реакторов ГТОА.
Разработанный программный комплекс для расчета схем энергетических установок может быть использован, как для корректировки уже предложенных схем, так и для разработки новых. Результаты расчетов термодинамических параметров принципиальных схем энергетических установок могут быть использованы в качестве исходных данных при их проектировании. Энергетические установки на основе реакторов ГТОА являются
перспективными для замещения энергетических установок, работающих на жидких углеводородах в децентрализованной энергетике, в районах с высокой экологической напряженностью, например, в мегаполисах, в качестве резервных установок, в том числе для покрытия пиковых нагрузок, а также для специальных применений.
Положения, выносимые на защиту
Экспериментально установленные зависимости характерного времени реакции окисления и конечной степени превращения порошков алюминия с удельной площадью поверхности от 0.07 до 0.5 м /г в опытном реакторе в условиях влажного насыщенного водяного пара от температуры в диапазоне 230-370 С.
Экспериментально определенные закономерности изменения морфологии поверхности, пористой структуры, фазового состава, величин среднего размера кристаллов и удельной поверхности твердых продуктов окисления микронных порошков алюминия во влажном насыщенном водяном паре в зависимости от температуры их синтеза в диапазоне 230-370 С.
Методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия и определенные на ее основе:
область оптимальных параметров (ср, Т, Р), обеспечивающая, как высокую скорость окисления алюминия, так и высокую термодинамическую эффективность реактора ГТОА в составе энергетических установок;
зависимость необходимого объема реактора ГТОА непрерывного действия от его производительности, поддерживаемых в нем термодинамических параметров и дисперсности используемого порошка;
взаимосвязь между параметрами <р, Т и Р; зависимость массовых и тепловых потоков на выходах из реактора от <р и Р; границы существования в реакторе влажного насыщенного водяного пара в области параметров (<р, Т, Р).
Алгоритм работы реактора ГТОА, обеспечивающий непрерывность его действия, подтвержденный результатами расчетных и экспериментальных исследований.
Результаты разработки и экспериментального исследования рабочих параметров энергетической установки КЭУ-10.
Принципиальные схемы перспективных энергетических установок, использующих реакторы ГТОА в качестве генераторов пароводородной смеси, и результаты расчетов их термодинамических параметров.
Личный вклад автора
Все положения, выносимые на защиту, получены лично автором или при его определяющем участии. Автором проведены эксперименты по исследованию кинетики ГТОА и получены образцы твердых продуктов реакции для изучения их физико-химических свойств. Автором разработана методика расчета параметров реактора ГТОА непрерывного действия. Автор участвовал в экспериментах по отработке технологии работы реактора ГТОА в непрерывном режиме и в разработке КЭУ-10. Автором разработан алгоритм работы КЭУ-10. Под руководством автора проводились испытания КЭУ-10. Автором предложены и обоснованы пути повышения термодинамической эффективности установок на основе ГТОА.
Апробация работы
Результаты работы докладывались на следующих конференциях: МФТИ (Москва, 2007-2009), Физические проблемы водородной энергетики (Санкт-Петербург, 2007, 2009-2011), Результаты фундаментальных исследований в области энергетики и их практическое значение (Москва, 2008), Возобновляемые источники энергии (Москва, 2008, 2010), Водородная энергетика как альтернативный источник энергии (Москва, 2009), Hydrogen and Fuel Cells (Vancouver, 2009), Hydrogen storage technologies (Moscow, 2009), Russia-Taiwan joint symposium on hydrogen and fuel cell technologies (Moscow, 2009), Международный симпозиум по водородной энергетике (Москва, 2009), Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве (Москва, 2010), 50 лет ОИВТ РАН (Москва, 2010), Энергия молодости - инновационному развитию России (Москва, 2010).
Публикации
По материалам работы опубликовано 9 статей в реферируемых журналах, 14 тезисов в сборниках трудов конференций, получен 1 патент.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы, включающего 276 наименований. Работа изложена на 163 страницах, содержит 58 рисунков и 17 таблиц.
Методика эксперимента
Схема экспериментальной установки, предназначенной для исследования кинетики ГТОА, представлена на рис. 2.1. Опытный реактор представлял собой вытянутый цилиндр высотой 190 см с внутренним диаметром 7 см. Объем реактора 7570 см . На внешней поверхности реактора был смонтирован омический нагреватель мощностью 5 кВт. Реактор был теплоизолирован. Экспериментально установленная скорость остывания реактора составила 0.16-0.28 ”С/мин (в зависимости от степени заполнения его водой и начальной температуры).
Алюминиевый порошок подавался в реактор в составе водной суспензии с помощью дозирующего насоса высокого давления (ДНВД) плунжерного типа. Расход ДНВД составлял 25 см /сек (при частоте хода плунжера 0.5 с"1). Суспензия вводилась сверху реактора через центробежную форсунку. Алюмоводная суспензия поступала в реактор из смесителя. Смеситель представлял собой емкость объемом 30 л с перемешивающим устройством, частота вращения которого составляла 170 об/мин. Продукты реакции выводились из реактора снизу в емкость приема продуктов окисления. Экспериментальный стенд был оснащен отсечными клапанами (ОК1...0К5), датчиками температуры (Ткі...Тк4) и давления (Р\ и Рг). Датчики температуры Тк...Тк4 измеряли температуру корпуса реактора снаружи, датчик давления Р - перепад давления на форсунке, датчик давления Рг - давление непосредственно внутри реактора. Экспериментальная установка управлялась из специального помещения - операторской комнаты, оборудованной автоматизированной системой контроля и управления (АСКУ). Показания датчиков температуры и давления записывались на жесткий диск компьютера АСКУ.
Исследование кинетики окисления определенного порошка алюминия заключалось в проведении с данным порошком серии экспериментов с различными начальными термодинамическими условиями в реакторе. Кинетика окисления изучалась в условиях высокотемпературного влажного водяного пара в области термодинамических параметров, представленной на рис. 2.2. Данная область лежит между двумя пограничными кривыми и линией изотермы (совпадающей в двухфазной области с линией изобары) 230 С - минимальной температурой пара в экспериментах. Максимальная температура данной области составляет 374 С при давлении 22.06 МПа (критическая точка воды).
Для проведения серии экспериментов вначале приготавливалась суспензия алюминиевого порошка с водой в смесителе. Температура суспензии в смесителе была комнатной. Массовое отношение воды к алюминию в этой суспензии выбиралось таким образом, чтобы изменение термодинамических параметров в результате ГТОА в интервале температур 230-374 С не приводило к образованию в реакторе перегретого пара. В соответствии с результатами расчетов, которые будут представлены в следующей главе, оптимальными значениями в исследуемой области температур и давлений является массовое отношение р из интервала 7-9.
После приготовления суспензии в смесителе реактор нагревался до определенной температуры. При этом в ходе нагрева реактора для создания в нем влажного насыщенного водяного пара в него подавалась вода. Вода в реактор подавалась с помощью ДНВД из емкости с водой (рис. 2.1). В экспериментах использовалась дистиллированная вода.
С целью равномерного прогрева реактора по всей его длине вода в него в ходе нагрева вводилась периодически, малыми порциями. При этом в каждом эксперименте в реактор в ходе его нагрева вводилось одно и то же количество воды - 1500 см Данное количество воды при любой температуре реактора из интервала 230-374 С приводило к образованию в его замкнутом объеме (7570 см ) влажного насыщенного пара.
После нагрева реактора до определенной температуры в него осуществлялся впрыск алюмоводной суспензии из смесителя. Суспензия вводилась сверху реактора через специальное форсуночное устройство. Продолжительность впрыска выбиралась таким образом, чтобы с одной стороны она приводила к заметным изменениям давления в реакторе, с другой - была как можно меньше характерного времени реакции. В данных экспериментах продолжительность ввода суспензии алюминия и воды в реактор составляла 20 сек.
Кинетика ГТОА изучалась по скорости изменения термодинамических параметров реактора после ввода в него алюмоводной суспензии. Изменение термодинамических параметров реактора регистрировалось с помощью датчиков температуры и давления.
После завершения химической реакции продукты окисления выводились из реактора снизу в емкость приема продуктов окисления (рис. 2.1). Твердые продукты реакции после вывода их из реактора сразу помещались в холодную воду с целью торможения реагирования неокисленного алюминия.
Далее реактор промывался водой и нагревался до следующей контрольной температуры. Перед каждьм следующим впрыском алюмоводной суспензии в реактор осуществлялся контроль ее плотности (отношения (р ) в смесителе.
Термодинамические параметры реактора
Далее будут рассмотрены результаты расчета термодинамических параметров реактора ГТОА при условии полного превращения алюминия и отсутствия тепловых потерь реактора (Q„xo;i = q mAI)- Высокая степень превращения алюминия должна была достигаться в экспериментах путем подбора оптимальных расходных характеристик суспензии и термодинамических параметров реактора. Реальные тепловые потери реактора при максимальной скорости остывания реактора (0.28 С/мин) и минимальной тепловой мощности реактора (около 40 кВт при ф =9 и общем расходе суспензии 25 см3) не превышали 0.5 %.
На рис. 3.3 представлена взаимосвязь между параметрами р, Ти Р. Из рисунка в частности следует, что увеличение давления реактора Р при постоянном р и уменьшение ср при постоянном Р должны приводить к увеличению равновесной температуры реактора Т в ходе непрерывного режима его работы.
На рис. 3.4 представлена зависимость массы испаряемой в единицу времени внутри реактора воды т" (отнесенное к массе поступающего в единицу времени в реактор алюминия тЛ) от Р и р. С увеличением давления реактора Р при постоянном (р в реакторе должна увеличиваться его равновесная температура Т (рис. 3.3), в связи с чем большее количество тепла реакции должно тратиться на нагрев подаваемой в реактор воды до температуры насыщения и соответственно должно оставаться меньше тепла для испарения части этой воды. При относительно низких температурах, когда теплота парообразования с ростом температуры уменьшается слабо, это должно приводить к уменьшению т", однако при приближении к критической точке воды в силу стремительного уменьшения теплоты ее парообразования т" должно увеличиваться, что объясняет в общем случае немонотонный характер зависимости т” от Р при постоянном ц Чем меньше р, тем меньшее количество воды необходимо нагревать до заданной температуры при одинаковой тепловой мощности реакции и соответственно при меньших значениях Р кривые на рис. 3.4 проходят через минимум. В диапазоне представленных на рис. 3.4 давлений экстремумы содержатся только на кривых р =6.5 и (р=1).
На рис. 3.5 представлена зависимость потока полезного тепла, отводимого сверху реактора, QBepx. (отнесенного к тепловой мощности реакции QB!toa) от Р и q Из рисунка следует, что с увеличением (р и давления реактора Р отношение уменьшаться, что, потенциально, должно приводить к уменьшеиию термодинамической эффективности установки, использующей реактор ГТОА в качестве генератора пароводородной смеси. Для увеличения доли тепла, уносимого в составе пароводородной смеси сверху реактора, как это следует из рис. 3.5, реакцию ГТОА следует проводить при как можно меньших значениях р.
Слева область оптимальных параметров ( р, Т, Р) ограничена условием текучести пульпы водной суспензии оксигидроксида алюминия: условие (3.11) соблюдается справа от кривой т =1.11тд. Снизу область оптимальных параметров {щ, Т, Р) ограничена изобарой 10 МПа - давлением, обеспечивающим в реакторе равновесную температуру около 300 С, которая в свою очередь обеспечивает высокую скорость химической реакции (рис. 2.7) и конечную степень превращения алюминия (табл. 2.2). Сверху данная область ограничена изобарой 20 МПа из конструктивных соображений. Таким образом, в области оптимальных параметров обеспечиваются высокая скорость окисления алюминия, высокая термодинамическая эффективность реактора и текучесть пульпы водной суспензии оксигидроксида алюминия.
Результаты испытания
Далее будут рассмотрены результаты испытания КЭУ-10, в котором продолжительность непрерывной работы реактора ГТОА была 1 чае. Данное испытание далее будет называться «часовым» несмотря на то, что продолжительность всего эксперимента, включая стадии предпусковых операций и приведения установки в исходное состояние, была больше, чем 1 час.
В ходе предпусковых операций данного испытания внутри реактора были созданы условия влажного насыщенного пара с давлением 13 МПа и температурой 330 С, а в смесителе приготовлена первая порция водной суепензии порошка алюминия АСД-6 с массовым соотношением вода/алюминий 7.9. К РБ были подключены 3 баллона с водородом с общим начальньм давлением 2.6 МПа. На подготовку установки к рабочему режиму испытания от внешней промышленной сети суммарно было затрачено 2.7 кВтч электрической энергии. В момент переключения питания ШП КЭУ-10 с промышленной сети на питание от БАБ через ИН экспериментальный комплекс потреблял мощность 0.9 кВт.
На рис. 4.5 представлены температуры корпуса реактора Ткі, Тк2, Ткз и давление внутри него 2 в ходе «часового» испытания. Алгоритм работы клапана переменного сечения был настроен на поддержание внутри реактора давления 14-16 МПа. Температура реактора в эксперименте установилась на уровне 320-327 С. Падение температур и давления в конце испытания связаны с промывкой реактора и выводом из него продуктов реакции в ходе испытания в смеситель с помощью дозатора порошка и насоса дозирования воды суммарно было загружено соответственно 9.6 кг алюминия и 76 л воды. После останова РБ в смесителе осталось 2.1 л неиспользованной суспензии. При этом в реактор за весь эксперимент было введено 9.34 кг алюминия, а воды с учетом начального впрыска во время нагрева реактора - 75 л. Отметим, что установившаяся в реакторе равновесная средняя за эксперимент температура 324 С при среднем за эксперимент давлении реактора 15 МПа и массовом отношении вода/алюминий в реакторе На рис. 4.6 представлены давления в барботере Р4 и на входе в ВР Р5 в ходе эксперимента. На рис. 4.7 представлены температура газового объема барботера Т4 и его нижней части корпуса Т5, а также температура бака охлаждающей воды Т2 в ходе «часового» испытания. После того, как давление в барботере выросло до 1 МПа, была осуществлена его продувка поступающим из реактора водородом через клапан ОК8. ОК8 закрылся при давлении 0.6 МПа. Далее при достижении давления в барботере 5 МПа открылся клапан ОК7 и водород из РБ начал поступать в ВР и на ЭХГ. Перепад давления между барботером и ВР создавался за счет ОБК2. При повышении температуры бака охлаждающей воды до 53 С было включено КУ, а при ее понижении до 47 С - выключеио. В течение 1 часа работы РБ сброс воды из барботера был осуществлен 5 раз. При каждом сбросе давление и температура в барботере уменьшались, так как с водой частично выводился водород, как растворенный в этой воде, так и в газовой фазе. После останова РБ из барботера также была сброшена накопленная в нем вода, в результате чего давление в нем некоторое время оставалось ниже давления в ВР. ЭХГ после останова РБ потреблял водород из ВР и барботера, пока давление в ВР не опустилось до начального значения 2.6 МПа. По показаниям измерителя влажности водорода точка росы в эксперименте не превышала -25 С.
На рис. 4.8 представлено распределение электрических мощностей в ходе эксперимента. В первые минуты работы РБ напряжение на ШП КЭУ-10 подавалось от БАБ через ИН. БАБ был отключен от ИИ только в самом конце работы РБ, после выключения ДНВД. После останова РБ и переключения питания собственных нужд КЭУ-10 на промышленную сеть ЭХГ оставался нагруженным на 4 ступени БС1. Напряжения и токи переменных фаз ИН во время работы РБ показаны на рис. 4.9. Периодическое увеличение потребления электрической энергии было связано с работой дозатора порошка и насоса дозирования воды, автоматические включения и выключения которых осуществлялись при достижении уровня в смесителе соответственно минимального и максимального допустимых значений. Из рис. 4.9 видно, что за время эксперимента смеситель, помимо приготовления первоначальной порции суспензии, заполнялся еще 6 раз. С 1960 по 3200 секунду увеличение потребления энергии было связано с включением КУ.
Окончательные результаты «часового» испытания КЭУ-10 обобщены в табл. 4.2. В ходе испытания БАБ разрядился на 1.5 кВтч, БС1 потребил 10.5 кВтч электроэнергии, а батарея ВВТЭ выработала 13.6 кВтч (49 МДж) электроэнергии при 38.6 % КПД преобразования химической энергии водорода. Следовательно, собственные нужды установки КЭУ-10 суммарно с потерями на коммутациях в постоянном токе составили: 1.5 кВтч + 13.6 кВтч-10.5 кВтч=4.6 кВтч.
В системе охлаждения ЭХГ было получено 21.6 кВтч (78 МДж) низкопотенциального тепла (на уровне 50 С). Мощность нагрева бака охлаждающей воды за счет тепла, вырабатываемого в теплообменном аппарате РБ, составила 25 кВт.
После сушки твердых продуктов окисления масса их сухого остатка составила 19 кг. В результате рентгенофазового анализа (выполненного на дифрактометре Thermo ARL XTRA) было установлено, что в твердых продуктах окисления содержится единственная кристаллическая фаза бемита (АЮОН). Отсутствие в продуктах реакции следов неокисленного алюминия еще раз свидетельствовало о правильно подобранном соотношении расходных характеристик, объема реактора и его термодинамических параметров.
Необходимо отметить, что при полном окислении 9.34 кг алюминия должно образоваться 11.6 нм водорода, тогда как ЭХГ потребил всего 10 нм3. Объясняется это тем, что часть полученного в РБ водорода в ходе первоначальной продувки барботера, а также в конце эксперимента из барботера и реактора была удалена на свечу. Очевидно, что начальная и конечная продувки водорода должны будут иметь меньший вклад в его относительные потери при увеличении длительности работы РБ.
Аналогично затраты электроэнергии на стадии предпусковых операций и остаток неиспользованной суспензии в смесителе в конце эксперимента при увеличении продолжительности работы КЭУ-10 должны будут вносить незначительный вклад в общий массово-энергетический баланс. Поэтому количество электрической энергии затраченной на нагрев реактора и приготовление первой порции суспензии в смесителе (2.7 кВтч) в расчетах электрического КПД и коэффициента использования топлива не учитывалось, и в знаменатель при вычислении данных параметров подставлялась теплотворная способность полезно израсходованного количества алюминия:
Несмотря на довольно большое количество технических недостатков, таких как не сглаженные токовые колебания, создаваемые ДНВД, разно-нагруженность фаз системы электроснабжения еобственных нужд установки, несоответствие диапазона входного напряжения ИН диапазону выходного напряжения ЭХГ и др., основной причиной относительно низкого электрического КПД КЭУ-10 является то, что тепловая энергия, вырабатываемая в РБ, еоизмеримая с теплотворной епособностью образующегося в том же РБ водорода, не используется для производства электрической энергии. В электрическую энергию в КЭУ-10 преобразуется только часть химической энергии водорода, а тепловая энергия, выделяющаяся в результате реакции ГТОА, лишь частично преобразуется в полезное тепло нагрева помещения. Выбранный в КЭУ-10 способ когенерации энергии объясняется тем, что в масштабах нескольких десятков киловатт эффективное преобразование тепла химической реакции в полезную электроэнергию не представляется возможным. Повышение электрического КПД энергетической установки, использующей реактор ГТОА в качестве генератора пароводородной смеси, может быть достигнуто только при увеличении мощности установки и введении в ее состав энергетического оборудования, утилизирующего тепло реакции ГТОА.
Схемы с регенерацией тепла
Результаты расчетов данной схемы представлены на рис. 5.13 и рис. 5.14. На рис. 5.13 представлено изменение температур схемы, а па рис. 5.9 изменение мощностей в зависимости от давления пароводородной смеси после расширения в пароводородной РМ (давления в КС). Коэффициент избытка воздуха был принят равным 1.2, внутренний КПД компрессора 80 %, внутренние КПД пароводородной и парогазовых РМ также 80 %. Необходимое условие регенерации тепла было задано неравенством Т4-Т1 40 К.
Температура пароводородной смеси за РМ Т1 и температура воздуха за компрессором Т2 в схеме с регенерацией такие же, как и в схеме без регенерации (рис. 5.8). Мощность пароводородиой РМ и компрессора также не изменяются. Регенерация тепла должна существенно повышать температуры парогазовой смеси до (ТЗ) и после (Т4) расширения в парогазовой РМ. Температура парогазовой смеси ТЗ должна уменьшаться с увеличением давления пароводородной смеси после расширения Р, так как с увеличением перепада давлений в парогазовой РМ температура парогазовой смеси после расширения Т4, а вместе с ней и тепло регенерации, должны уменьшаться. Регенеративное тепло в данной схеме прибавляется к теплоте сгорания водорода в КС, приводя, таким образом, к высоким температурам на выходе из нее.
Энергетическая установка, работающая по данной схеме, на 1 г/сек должна вырабатывать около 85-95 кВт полезной электрической мощности. Электрический КПД данной схемы составляет 31-34 %.
Практической реатизации предыдущей схемы может препятствовать слишком высокая температура на входе в парогазовую РМ ТЗ. Эта температура может быть понижена за счет впрыска дополнительной, охлаждающей, воды вслед за (или внутрь) КС. Соответствующая схема изображена на рис. 5.15. Пароводородная смесь, выходящая из реактора ГТОЛ, после расширения в пароводородной РМ направляется в регенератор. После регенератора пароводородный поток поступает в КС. После КС к парогазовой смеси добавляется водяной пар. Пар образуется в регенеративном парогенераторе, куда вода подается с помощью насоса воды. После смешения парогазовая смесь срабатывает в парогазовой РМ. После расширения парогазовая смесь последовательно проходит регенератор и регенеративный парогенератор.
Обозначим отношение массы дополнительной охлаждающей воды, впрыскиваемой вслед за (или внутрь) КС, к массе водорода - //. На рис. 5.16 представлено изменение температур схемы в зависимости от давления пароводородной смеси после расширения в пароводородной РМ (давления в КС) для различных количеств дополнительной воды. Коэффициент избытка воздуха был принят равным 1.2, внутренний КПД компрессора 80%, внутренние КПД пароводородной и парогазовых РМ также 80 %. Необходимым условием регенерации тепла для регенератора и регенеративного парогенератора являлась разность в 40 К между горячей и холодной температурами.
Из рис. 5.16 следует, что впрыск дополнительной охлаждающей воды должен приводить к понижению температуры парогазовой смеси перед парогазовой РМ Т7, увеличивая при этом суммарный массовый расход. С увеличением // температуры в цикле в целом должны понижаться. Для //=15 (рис. 5.16г) и //=20 (рис. 5.16д) максимальные давления, при которых возможна регенерация, составляют 3.1 и 1.2 МПа соответственно. Выше этих давлений условие регенерации не выполняется. Для всех ju на рис. 5.16, кроме //=2, наблюдается скачок температур вниз. Это связано с тем, что при определенном давлении разность между температурой парогазовой смеси после регенератора (рис. 5.15) и температурой насыщения для этого давления приближается к 40 К (условие регенерации). Если до этого давления температурного потенциала парогазовой смеси на выходе из регенератора еще хватает для нагрева дополнительной воды в регенеративном парогенераторе до состояния перегретого пара (температура водяного пара Т8 на выходе из регенеративного парогенератора в этом случае на 40 К меньще температуры парогазовой смеси на входе в этот агрегат), то после этого давления вода в регенеративном парогенераторе не доходит до температуры кипения в силу заданного условия регенерации.
На рис. 5.17 представлено изменение полезной мощности в зависимости от // и давления пароводородной смеси после расщирения в пароводородной РМ (давления в КС). Из рисунка следует, что снижение температуры перед парогазовой РМ должно приводить к понижению ее работы, несмотря на увеличение расхода, что, в конечном счете, должно приводить к уменьшению полезной мощности данной схемы по сравнению со схемой на рис. 5.12. Чем больше //, тем меньше полезная мощность. Скачок мощности вниз соответствует аналогичным скачкам температур (рис. 5.16).
Электрический КПД данной схемы зависит от степени регенерации тепла. При полной регенерации, когда охлаждающая вода доходит до состояния перегретого пара, полезная мощность должна составлять 80-95 кВт, а электрический КПД - 29-34 %.
Рассмотрим регенерацию тепла от парогазовой смеси после расширения к пароводородной смеси до расширения. Соответствующая схема изображена на рис. 5.18. Пароводородная смесь, выходящая из реактора ГТОА направляется в регенератор. После регенератора пароводородиый поток срабатывает в пароводородной РМ и поступает в КС. Продукты сгорания срабатывают в парогазовой РМ.
В качестве необходимого условия регенерации тепла был задан температурный напор в 40 К (т.е. для регенерации необходимо, чтобы Т4-ТО40 К). Коэффициент избытка воздуха был принят равным 1.2, внутренние КПД компрессора, пароводородной и парогазовых РМ - 80 %.
На рис. 5.19 и рис. 5.20 представлены результаты расчетов данной схемы. Из рис. 5.19 видно, что данная регенерация тепла должна приводить к существенному повышению температур ТО, Т1 и ТЗ. Энергетическая установка, работающая по данной схеме, на 1 г/сек должна вырабатывать около 80-90 кВт полезной электрической мощности. Электрический КПД данной схемы составляет 29-32 %.
