Спосіб прямого перетворення теплоти в електроенергію

Спосіб прямого перетворення теплоти в електроенергію, який включає високотемпературний розклад робочого тіла циклу на компоненти (паливо і окислювач) в процесі ендотермічної реакціїдисоціації за рахунок теплоти Q1 від "теплового джерела-витоку" при максимальній температурі циклу Т1; використання як робочого тіла речовин, які в результаті електролізу розкладаються на два компоненти (паливо і окислювач), їх роздільну подачу на електроди паливної комірки; перетворення хімічної енергії компонентів робочого тіла в електроенергію шляхом електрохімічної генерації в процесі екзотермічної реакції-рекомбінації пали C2 2 (19) 1 3 85577 шим відводом від нього відробленого тепла Q2 та поверненням LiH від ПК до "регенератора палива" циркуляційною помпою [див. Кокорев Л.С. Прямое преобразование энергии. М.: Атомизд.,1980, с. 116]. Головним недоліком способа-прототипа є низька ефективність процесу прямого енергоперетворення, що визначається недостатньо високою температурою термічного розкладу LiH, який здійснюється при Т1=850°С, і не досить низькою температурою електрохімічної генерації (ЕХГ): Т2=450-570°С, що викликає низький ККД перетворення теплоти в електроенергію (ККД Карно для цього рівня температур Т1 та Т2 - нижче ніж 25-35 %). Крім того, значним недоліком даного способу є необхідність додаткового поділу (сепарації) продуктів термічного розкладу LiH (суміші Li та H 2) на складові (Li, Н2 і LiH) перед реакцією - рекомбінацією Li та Н2 в ПК. В основу винаходу поставлена задача підвищення ефективності способу прямого перетворення високопотенційного тепла в електроенергію, в якому проведенням розкладу робочого тіла на компоненти при максимальній температурі циклу Т1 шляхом його високотемпературного електролізу; використанням в якості робочого тіла циклу речовин, які в результаті електролізу розкладаються на два компоненти: паливо і окислювач (крім LiH це Н2О→Н2,+1/2О2, СО2→СО+½О 2 та ін.), причому на компоненти, похідна по Т від різниці рівноважних електродних потенціалів яких - від'ємна: (¶D j0 / ¶T )p < 0 (у Н2О (¶D j0 / ¶T )p = -0,312 × 10-3 (¶D j0 / ¶T )p = (В/К), у СО2 - 0,442 ×10 - 3 (В/К) та ін.); живленням високотемпературного електролізу робочого тіла за рахунок електроенергії, що виробляється в результаті низькотемпературного ЕХГ (реакціїрекомбінації палива і окислювача в ПК), і високопотенційного тепла Q1 від "теплового джерела витоку" при максимальній температурі циклу Т1; догрівом робочого тіла до максимальної температури циклу Т1 на шляху від низькотемпературної ПК до високотемпературного ЕЛ (та відповідне охолодження його продуктів до мінімальної температури циклу Т1) - шляхом регенерації тепла продуктів електролізу (палива і окислювача) у протиточному теплообміннику (з розвиненою поверхнею теплопередачі) і частково - високо-потенційним теплом від "теплового джерела - витоку" при температурі Т1; відводом теплового ефекту екзотермічної реакції-рекомбінації компонентів робочого тіла (палива і окислювача) в ПК (відпрацьованого тепла циклу Q2) в навколишнє середовище (Т0) при мінімальній температурі циклу Т2→Т0 . - забезпечується значне підвищення ефективності способу енергоперетворення. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в способі прямого перетворення високопотенційного тепла в електроенергію (у тепловому циклі "високотемпературний розклад робочого тіла + реакція-рекомбінація в ПК - продуктів його розкла 4 ду"), який включає високотемпературний розклад робочого тіла на компоненти в процесі ендотермічної реакції-дисоціації за рахунок теплоти Q1 від теплового джерела-витоку при максимальній температурі циклу Т1; їх роздільну подачу на електроди ПК; перетворення хімічної енергії компонентів робочого тіла (палива і окислювача) - на ПК в електроенергію в процесі екзотермічної реакції - рекомбінації (в процесі ЕХГ) при мінімальній температурі циклу Т2, відведення теплового ефекту Q2 екзотермічної реакції-рекомбінації від ПК шляхом його охолодження та повернення робочого тіла від ПК до "регенератора палива" - циркуляційною помпою у відповідності до винаходу, робоче тіло розкладається на компоненти при максимальній температурі циклу Т1 шля хом проведення високотемпературного електролізу в якості робочого тіла використовується речовини, які в результаті електролізу розкладаються на два компоненти: паливо і окислювач (крім LiH це Н2О→Н2+½О2, СО2→CO+½О2 . та ін.), причому на такі компоненти, похідна по Т(К) від різниці рівноважних електродних потенціалів яких - від'ємна: (¶Dj0 / ¶T )p 0 та ΔS>0. Таким чином, при підвищенні температури Т(К) процесу величина ΔG зменшується (ΔG→0 при t→2,5 тис.°С для Н 2О, і при t→2,0 тис.°С для CO2), В цих умовах напруга, яка необхідна для здійснення високотемпературного (1000°±300°С) електролізу, наприклад, водяної пари (0,820±0,093 В) стає менше ніж ЕДС, яка виробляється паливною коміркою при нормальних умовах за рахунок ЕХГ продуктів електролізу: Н2+О2, СО+О2 та ін. (1,229 В при 25°С чи 1,162 В при 100°С для Н2О, та 1,33 В при 25°С для СО2), процес та здійснити живлення електролізера і помпи безпосередньо від паливної комірки. При цьому схема перетворення високопотенційного тепла буде включати лише високоефективні процеси: високотемпературний електроліз робочого тіла і низькотемпературна ЕХГ (електрохімічна генерація), тобто реакція-рекомбінація компонентів робочого тіла: палива і окислювача), оскільки вона дає саме високе значення ЕДС на клемах паливної комірки (1,23 В для води; 1,33 В для СО2 та ін.). В такому разі блок "паливна коміркаелектролізер" буде відпускати зі своїх клем в зовнішній ланцюг різницю між електроенергією, виробленої на паливної комірці в процесі ЕХГ компонентів робочого тіла: палива і окислювача, та електроенергією, яка використовується на електроживлення електролізера: ΔW=W 1-W2>0, тобто різницю, що отримана за рахунок перетворення у замкненому циклі "Високотемпературний електроліз робочого тіла + низькотемпературній ЕХГ його компонентів" - теплоти Q1 від теплового джерелавитоку при максимальній температурі циклу Т1, підведеного в процесі ендотермічної реакції електролітичного розкладу молекул води: ΔW≤Q 1·η k, де ηk - КПД циклу Карно (ηk=1-Т2/Т 1). Відповідно до теорії циклу Карно частина хімічної енергії у формі тепла Q2=(1-ηk)Q1 повинна виділятися в паливній комірці у процесі екзотермічної реакції ЕХГ що до реакції-рекомбінації компонентів робочого тіла (її тепловий ефект) і її необхідно відводить в навколишнє середовище, тобто охолоджувати паливну комірку (це відбувається і на ТЕС, де Q2 відводиться від конденсатора насиченої пари в навколишнє середовище). Опис роботи теплового циклу. В стартовому режимі робоче тіло, наприклад, вода, відводиться циркуляційною помпою від ПК до теплообмінника. Там високопотенційне тепло Q1 (в якості теплового джерела-витоку Q1 для енергоперетворення в даному циклі може використовуються високотемпературні реактори з газофазним відводом тепла: і від ТВЕЛів ядерних реакторів, і від бланкетів термоядерних реакторів та ін.) підігріває воду, а і потім водяну пару до мак 6 симальної температури циклу T1 @ 1000°C . Від теплообмінника перегріта водяна пара подається на електроди електролізера, які мають бути під напругою ≥0,8 Вольт [див. Лєгасов. "На пути к водороду..," с. 47], де для забезпечення ендотермічної реакції-дисоціації водяної пари підводиться високопотенційне тепло Q1 і електрика та проводиться електролітичний розклад Н 2О на компоненти (гази Н2 та О 2), які потім роздільно подаються по трубам від електролізера до паливної комірки. На цьому шляху в протиточному теплообміннику з розвиненою поверхнею теплопередачі вони віддають своє тепло перегріву воді, що прокачується назустріч (від паливної комірки до електролізера через теплообмінник) циркуляційною помпою. Охолоджені до температури Т 2≈Т0 шля хом регенерації тепла паливо і окислювач (гази H2 та О2) подаються на електроди ПК. Там проходить їх реакція - рекомбінація і отримана електроенергія відводиться з клем ПК при напрузі ≤1,23 Вольт в зовнішній ланцюг ПК, в який включені електролізер та зовнішнє навантаження R (Ом). Вода, що при цьому утворюється, повертається в цикл (направляється по трубі до електролізера), а відроблене тепло Q2, яке виділяється в результаті екзотермічної реакції-рекомбінації, відводиться від ПК в навколишнє середовище (при температурі Т2→Т 0). Базовий режим циклу починається з того моменту, коли електроенергія W1, що виробляється на ПК стає більшою, ніж необхідна для живлення електролізу W2, (при цьому ЕДС ПК перевищує рівноважну напругу електролізу: Епк >Δφел). В замкненому електричному ланцюгу "ПК - ЕЛ - R - ПК" починає текти струм І(А), який виконує на зовнішньому навантаженні R корисну роботу А=ΔW=І 2R·t. Величина електроструму І в цьому колі пропорційна масовому розходу продуктів електролізу (водень + кисень), які подаються на ПК (або розходу води яка подається з ПК на ЕЛ). Однак в разі, якщо маємо І≠0, то у вн утрішні х колах і ПК, і ЕЛ виникають незворотні витрати в значній мірі за рахунок омічного опору відповідних електролітів (rпк та rел). При цьому погіршуються (вольт-амперні) зовнішні характеристики ПК та ЕЛ. На клемах ПК напруга знижується по відношенню до ЕДС (Uпк =Eпк І·rпк ), а на клемах ЕЛ - підвищується по відношенню до рівноважної напруги електролізу (U= Δφел+І·r ел). Це призводить до того, що доля eл електроенергії, що використовується корисно на зовнішньому навантаженні R, буде вже не 35% від максимуму, який може виробить ПК, а трохи менше: А=Δ W=I·(U пк -Ueл)·t=І·(Епк -Δφ ел)t-І2(r пк +reл)t. Різниця, що виникла від незворотних витрат на ПК (І2rпк ) та на ЕЛ (І2rел) являє собою так називане джоулеве тепло, в яке незворотньо перетворюється електрика. Тут треба відмітити, що тепло, яке виділяється в ЕЛ (q1= І2·rел), потім використовується корисно - додається до тепла Q1 від джерелавитоку високо-потенційної теплоти при максимальній температурі циклу Т1, яке використовується для проведення ендотермічної реакції-дисоціації високотемпературного електролізу водяної пари. Тепло ж, яке виділяється в ПК (q2=І2·rпк ), потім не використовується, а відводиться в навколишнє середовище разом з тепловим ефектом Q2 екзо 7 85577 термічної реакції-рекомбінації палива (H2) та окислювача (О2). Максимально можлива (теоретична) оцінка ефективності прямого перетворення теплоти у термодинамічному циклі, утвореному двома процесами: "високотемпературний електроліз Н 2О + низькотемпературна ЕХГ на основі реакціїрекомбінації Н2 і О2 в ПК", яка не враховує необоротних втрат при електролізі Н 2О і електрохімічному перетворенні його продуктів (Н2 та О2) ККД циклу для температур Т1=1000°С і Т2=25°С дає значення ~ 64,5%, що майже вдвічі перевищує ККД перетворення тепла в діючих ТЕС (33,4%). Розрахунок ККД циклу: Воднево-киснева ПК при нормальних умовах (25°С та 1атм.) генерує ЕДС Епк 1,23 Вольт [див. Ш. Чанг... с. 228, Приклад 7.1]. При цьому виділяється тепло Q2=23,1ккал/моль (17% від ΔН), а вільна енергія Гіббса (ΔG=-113,4 ккал/моль) перетворюється на електрику Wпк (83%). Корисна робота циклу А=35% від Wпк , тобто 29% від хімічної енергії ΔН=-136,5 ккал/моль, що є ефектом реакції-рекомбінації H2 і О2 . Таким чином, ККД циклу дорівнює: η= А/(А+Q 2)=(29%)/(29%+17%)= ц =29/46=0,645, тобто ηц =64,5% для Т1=1000°С (Δφ=0,8В). Відтак, у способі перетворення енергії, що заявляється, проведенням розкладу робочого тіла на компоненти при максимальній температурі циклу Т1 шля хом його високотемпературного електролізу (замість термічного розкладу в регенераторі палива), використанням в якості робочого тіла циклу - речовин, що в результаті електролізу розкладаються на два компоненти: паливо і окислювач (крім LiH це Н2О→Н2+1/2О2, СО 2→CO+1/2О2 та ін.), причому на компоненти, похідна по Т від Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 різниці рівноважних електродних потенціалів яких від'ємна: (¶Dj0 / ¶T )p < 0 (у Н2О (¶D j0 / ¶T )p = -0,312 × 10-3 (¶D j0 / ¶T )p = (В/К), у СО2 - 0,442 ×10 - 3 (В/К) та ін.); живленням високотемпературного електролізу робочого тіла за рахунок електроенергії, що виробляється в результаті низькотемпературного ЕХГ (реакціїрекомбінації палива і окислювача - в ПК) і високопотенційного тепла Q1 від "теплового джерела витоку" при максимальній температурі циклу Т1, догрівом робочого тіла до максимальної температури циклу Т1 на шляху від низькотемпературної ПК до високотемпературного ЕЛ - шляхом регенерації тепла продуктів електролізу (палива і окислювача) у протиточному теплообміннику (з розвиненою поверхнею теплопередачі) і частково високопотенційним теплом від "теплового джерела - витоку" при температурі Т1 відводом теплового ефекту екзотермічної реакції-рекомбінації компонентів робочого тіла (палива і окислювача) в ПК (відпрацьованого тепла циклу Q2) в навколишнє середовище при мінімальній температурі циклу Т2→Т 0, дозволяє вирішити задачу даного винаходу. Заявляємий спосіб прямого перетворення високопотенційної теплоти в електроенергію у замкненому циклі "Високотемпературний електроліз робочого тіла - низькотемпературна ЕХГ його компонентів" забезпечує дуже високу ефективність перетворення теплоти в електроенергію (ККД циклу з Н2О в якості робочого тіла (з Т1=1000°С і Т2=25°С) дорівнює 64,5%, при ККД TEC - 33,4%). Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601