RU2798028C1

RU2798028C1 - Method for controlling the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture

Info

Publication number: RU2798028C1
Application number: RU2022121349A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Николаевич Шаманов; Павел Валерьевич Бахтин; Антон Николаевич Варюхин; Виктор Савельевич Захарченко; Максим Александрович Овдиенко; Денис Игоревич Журавлев; Александр Валикоевич Гелиев; Иван Олегович Киселев; Григорий Сергеевич Иванов; Александр Викторович Казаков; Олег Иванович Еремкин; Павел Сергеевич Кулешов
Original assignee: Федеральное Автономное Учреждение "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова"
Filing date: 2022-08-05
Publication date: 2023-06-14

Abstract

FIELD: hydrogen energy.

SUBSTANCE: invention relates to methods for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, and can be used in power plants of aircraft as part of a fuel system for heating gasified hydrogen from a cryogenic temperature to a temperature not exceeding 85°C, and the optimum content of water vapour for the fuel cell of the power plant. The method consists in controlling the temperature of the steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of hydrogen with water vapour, by sequential drying of the steam-hydrogen mixture by its thermal contact with pure cooled hydrogen, with simultaneous condensation of water vapour of the gaseous mixture and removal of condensate from the stream. At the same time, the temperature of the steam-hydrogen mixture is controlled by its thermal contact with a constantly circulating coolant, which is water, and the flow rate of the steam-hydrogen mixture and the coolant is controlled. The hydraulic losses of the latter are compensated by supplying the removed condensate to the constantly circulating coolant, and at the outlet, the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture are additionally regulated by mixing the latter with pure cooled hydrogen.

EFFECT: creating a method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, which ensures an increase in the efficiency of the method by obtaining a steam-hydrogen mixture of a given temperature and humidity.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области водородной энергетики, а именно, к способам регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, представляющей собой газообразную смесь чистого водорода и водяных паров, и может быть использовано в силовых установках летательных аппаратов в составе топливной системы для нагрева газифицированного водорода с криогенной температуры до температуры, не превышающей 85°С, и оптимального для топливной ячейки силовой установки содержания водяных паров.The invention relates to the field of hydrogen energy, namely, to methods for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of pure hydrogen and water vapor, and can be used in power plants of aircraft as part of a fuel system for heating gasified hydrogen from cryogenic temperature to temperature not exceeding 85°C, and the optimum content of water vapor for the fuel cell of the power plant.

Известен способ регулирования температуры криогенной жидкости, заключающийся в том, что регулируют температуру криогенной жидкости путем осуществления ее прямоточного и противоточного теплообмена охлаждающей средой (А.С. 1250821, 1986 г.). Известен способ регулирования температуры пароводородной смеси, заключающийся в том, что регулируют температуру путем осуществления теплового контакта газообразного водорода с постоянно циркулирующим теплоносителем, в качестве которого используют воздух, и промежуточным теплоносителем, в качестве которого используют гелий, размещенный под давлением в замкнутом контуре (RU 192392, 2019 г.).A known method for controlling the temperature of a cryogenic liquid, which consists in the fact that the temperature of the cryogenic liquid is regulated by carrying out its direct-flow and counter-current heat exchange with a cooling medium (AS 1250821, 1986). A known method for controlling the temperature of a steam-hydrogen mixture, which consists in the fact that the temperature is controlled by thermal contact of hydrogen gas with a constantly circulating coolant, which is air, and an intermediate coolant, which is helium, placed under pressure in a closed circuit (RU 192392 , 2019).

Известные технические решения, указанные выше, не обеспечивают возможность регулирования влажности нагреваемой пароводородной смеси, что не позволяет использовать ее в силовой установке на основе твердополимерной топливной ячейки для летательного аппарата.The known technical solutions mentioned above do not provide the ability to control the humidity of the heated steam-hydrogen mixture, which does not allow its use in a power plant based on a solid polymer fuel cell for an aircraft.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявляемому изобретению является способ регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, заключающийся в том, что последовательно осуществляют осушение пароводородной смеси, представляющей собой газообразную смесь водорода с водяными парами, регулируют температуру пароводородной смеси (RU 136427, 2014 г.). В известном техническом решении регулирование влажности осуществляют путем конденсации пароводородной смеси в конденсаторе-парогенераторе и последующей сепарации и выводе конденсата из циклона-водоотделителя с помощью подкачивающего насоса в реакционную зону для получения исходной пароводородной смеси.The closest in technical essence and purpose to the claimed invention is a method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, which consists in the fact that the steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of hydrogen with water vapor, is sequentially dried, the temperature of the steam-hydrogen mixture is regulated (RU 136427, 2014 ). In the known technical solution, humidity control is carried out by condensing the steam-hydrogen mixture in the condenser-steam generator and subsequent separation and removal of the condensate from the cyclone-water separator using a booster pump into the reaction zone to obtain the initial steam-hydrogen mixture.

Существенным недостатком известного технического решения является низкая эффективность, обусловленная сложностью процесса регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, а также большие габариты циклона-водоотделителя, по сравнению, например, со струйным смесителем. A significant disadvantage of the known technical solution is the low efficiency due to the complexity of the process of controlling the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture, as well as the large dimensions of the cyclone-water separator, compared, for example, with a jet mixer.

Техническая проблема, решаемая заявляемым изобретением, заключается в расширении арсенала технических средств, а, именно, в создании способа регулирования как температуры, так и влажности пароводородной смеси, обеспечивающего повышение эффективности способа.The technical problem solved by the claimed invention is to expand the arsenal of technical means, namely, to create a method for controlling both the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture, which improves the efficiency of the method.

Технический результат, достигаемый при реализации предлагаемого изобретения, заключается в реализации его назначения, т.е. в создании способа регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, обеспечивающего повышение эффективности способа путем получения пароводородной смеси заданной температуры и влажности.The technical result achieved by the implementation of the proposed invention is the implementation of its purpose, i.e. in creating a method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, providing an increase in the efficiency of the method by obtaining a steam-hydrogen mixture of a given temperature and humidity.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, заключающегося в том, что последовательно осуществляют осушение пароводородной смеси, представляющей собой газообразную смесь водорода с водяными парами, регулируют температуру пароводородной смеси, согласно предлагаемому техническому решению осушение пароводородной смеси осуществляют путем ее теплового контакта с чистым охлажденным водородом, с одновременной конденсацией водяных паров газообразной смеси и удалением конденсата из потока, регулирование температуры пароводородной смеси осуществляют путем ее теплового контакта с постоянно циркулирующим теплоносителем, в качестве которого используют воду, при этом осуществляют контроль расхода пароводородной смеси и теплоносителя, гидравлические потери последнего компенсируют подачей удаленного конденсата в постоянно циркулирующий теплоноситель, а на выходе дополнительно регулируют температуру и влажность пароводородной смеси путем смешивания последней с чистым охлажденным водородом.The claimed technical result is achieved due to the fact that when implementing a method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, which consists in the fact that the steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of hydrogen with water vapor, is sequentially dried, the temperature of the steam-hydrogen mixture is regulated, according to the proposed technical solution mixture is carried out by its thermal contact with pure chilled hydrogen, with simultaneous condensation of water vapor of the gaseous mixture and removal of condensate from the stream, the temperature of the steam-hydrogen mixture is controlled by its thermal contact with a constantly circulating coolant, which is water, while controlling the flow of steam-hydrogen mixture and coolant, the hydraulic losses of the latter are compensated by supplying the removed condensate to the constantly circulating coolant, and at the outlet, the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture are additionally regulated by mixing the latter with pure cooled hydrogen.

Существенность отличительных признаков технического решения подтверждается тем, что только совокупность всех признаков, описывающая предлагаемое техническое решение, позволяет обеспечить решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата.The significance of the distinguishing features of the technical solution is confirmed by the fact that only the totality of all the features describing the proposed technical solution makes it possible to provide a solution to the technical problem posed with the achievement of the claimed technical result.

Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа регулирования температуры и влажности пароводородной смеси и ссылкой на иллюстрацию, где представлена схема его реализации.The present invention is explained by the following detailed description of the method for controlling the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture and reference to the illustration, which shows a diagram of its implementation.

На чертеже приняты следующие обозначения:The following designations are adopted in the drawing:

1 - моноблок;1 - monoblock;

2 - теплообменник-конденсатор;2 - heat exchanger-condenser;

3 - теплообменник- нагреватель;3 - heat exchanger-heater;

4 - накопитель;4 - drive;

5 - источник чистого охлажденного водорода;5 - source of pure cooled hydrogen;

6 - струйный смеситель.6 - jet mixer.

Устройство для реализации способа выполнено в виде моноблока 1, включающего теплообменник-конденсатор 2 и теплообменник- нагреватель 3, каждый из которых содержит соответствующую рубашку охлаждения/нагрева (на чертеже не показаны), и накопитель 4. Кроме того, устройство содержит источник 5 чистого охлажденного водорода и струйный смеситель 6. При этом интеграция в моноблоке 1 теплообменника-конденсатора 2, теплообменника-нагревателя 3 и накопителя 4, а также использование струйного смесителя 6, позволяют минимизировать массогабаритные характеристики устройства.The device for implementing the method is made in the form of a monoblock 1, including a heat exchanger-condenser 2 and a heat exchanger-heater 3, each of which contains a corresponding cooling / heating jacket (not shown in the drawing), and an accumulator 4. In addition, the device contains a source 5 of clean cooled hydrogen and a jet mixer 6. At the same time, the integration in a monoblock 1 of a heat exchanger-condenser 2, a heat exchanger-heater 3 and an accumulator 4, as well as the use of a jet mixer 6, make it possible to minimize the weight and size characteristics of the device.

Способ регулирования температуры и влажности пароводородной смеси осуществляется следующим образом.The way to control the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture is as follows.

Поток пароводородной смеси, представляющий собой газообразную смесь водорода с водяными парами, подают в моноблок 1 на вход теплообменника-конденсатора 2 и осуществляют осушение пароводородной смеси путем контакта с водородом, который подается от источника 5 чистого охлажденного водорода в рубашку охлаждения теплообменника-конденсатора 2. В результате происходит конденсация водяных паров из газообразной смеси, при этом образовавшийся конденсат удаляют в накопитель 4. После осушения поток пароводородной смеси поступает в теплообменник - нагреватель 3, в котором регулируют температуру пароводородной смеси, осуществляя ее тепловой контакт с постоянно циркулирующим в соответствующей рубашке нагревания теплообменника - нагревателя 3 теплоносителем, в качестве которого используют воду. Заданные параметры температуры и влажности пароводородной смеси дополнительно регулируют на выходе из теплообменника - нагревателя 3 путем смешивания в струйном смесителе 6 пароводородной смеси с водородом от источника 5 чистого охлажденного водорода, который подается при помощи струйного аппарата (на чертеже не показан), расположенного в струйном смесителе 6. Постоянный контроль расхода пароводородной смеси и теплоносителя осуществляют при помощи соответствующей аппаратуры (на чертеже не показана), а гидравлические потери теплоносителя компенсируют подачей конденсата из накопителя 4.The flow of the steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of hydrogen with water vapor, is fed into the monoblock 1 at the inlet of the heat exchanger-condenser 2 and the steam-hydrogen mixture is dried by contact with hydrogen, which is supplied from the source 5 of pure cooled hydrogen to the cooling jacket of the heat exchanger-condenser 2. As a result, water vapor condenses from the gaseous mixture, while the resulting condensate is removed to the accumulator 4. After drying, the flow of the steam-hydrogen mixture enters the heat exchanger - heater 3, in which the temperature of the steam-hydrogen mixture is regulated, making its thermal contact with the constantly circulating in the corresponding heating jacket of the heat exchanger - heater 3 with a heat carrier, which is used as water. The specified parameters of the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture are additionally regulated at the outlet of the heat exchanger - heater 3 by mixing in the jet mixer 6 the steam-hydrogen mixture with hydrogen from the source 5 of pure cooled hydrogen, which is supplied using a jet apparatus (not shown in the drawing) located in the jet mixer 6. Constant control of the flow rate of the steam-hydrogen mixture and the coolant is carried out using appropriate equipment (not shown in the drawing), and the hydraulic losses of the coolant are compensated by supplying condensate from storage 4.

Таким образом, последовательное осушение пароводородной смеси путем ее теплового контакта с чистым охлажденным водородом, с одновременной конденсацией водяных паров газообразной смеси и удалением конденсата из потока, контроль расхода пароводородной смеси и теплоносителя, компенсация гидравлических потерь теплоносителя подачей удаленного конденсата в постоянно циркулирующий водяной теплоноситель, и дополнительное регулирование на выходе температуры и влажности пароводородной смеси путем смешивания последней с чистым охлажденным водородом обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в реализации его назначения, т.е. в создании способа регулирования температуры и влажности пароводородной смеси, обеспечивающего повышение эффективности способа путем получения пароводородной смеси заданной температуры и влажности.Thus, sequential drying of the steam-hydrogen mixture by its thermal contact with pure cooled hydrogen, with simultaneous condensation of water vapor of the gaseous mixture and removal of condensate from the flow, control of the flow of the steam-hydrogen mixture and coolant, compensation of hydraulic losses of the coolant by supplying the removed condensate to the constantly circulating water coolant, and additional control at the outlet of the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture by mixing the latter with pure cooled hydrogen ensures the achievement of the technical result, which consists in the realization of its purpose, i.e. in creating a method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, providing an increase in the efficiency of the method by obtaining a steam-hydrogen mixture of a given temperature and humidity.

Claims

A method for controlling the temperature and humidity of a steam-hydrogen mixture, which consists in sequentially drying the steam-hydrogen mixture, which is a gaseous mixture of hydrogen with water vapor, regulating the temperature of the steam-hydrogen mixture, characterized in that the steam-hydrogen mixture is dried by thermal contact with pure cooled hydrogen, with simultaneous condensation of water vapor of the gaseous mixture and removal of condensate from the flow, the temperature of the steam-hydrogen mixture is controlled by its thermal contact with a constantly circulating coolant, which is water, while controlling the flow of the steam-hydrogen mixture and the coolant, the hydraulic losses of the latter are compensated by the supply of remote condensate into a constantly circulating coolant, and at the outlet, the temperature and humidity of the steam-hydrogen mixture are additionally regulated by mixing the latter with pure cooled hydrogen.