МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ КОМПРЕССОРЫ ВОДОРОДА
С развитием и усовершенствованием металлогидридных систем возникла возможность создания водородных компрессоров, в конструкции которых отсутствуют подвижные части (за исключением некоторых вентилей и клапанов). В таких компрессорах используется и хранится существенное количество газа, поэтому они могут представлять определенный интерес при осуществлении процессов, в которых необходимо одновременно и сжимать и хранить газ. Например, подобные устройства могут применяться на установках для производства аммиака электролитическим способом, которые получают электроэнергию от непостоянно действующих источников электроэнергии, а также на так называемых водородных газовых станциях.
Выпускной
клапан
I. g<— і
Сжатый водород
Рис. 9.12. Схема водородного компрессора
Водородный компрессор обычно включает в себя емкость, содержащую ме — таллогидрид, оборудованную теплообменником, в котором циркулирует обогре — иющая или охлаждающая жидкость (рис. 9.12). Два внешних клапана позволяют регулировать поток газа на входе и выходе компрессора. Нагревание насыщенного водородом гидрида приводит к повышению давления газа. Небольшое изменение температуры может привести к существенному повышению давления газа в силу экспоненциальной зависимости между этими термодинамическими параметрами.
В случае, если компрессор используется в качестве источника водорода, необходимо подводить дополнительно теплоту для компенсации отрицательного
теплового эффекта реакции десорбции и поддержания постоянного давления га а После того как гидрид отдаст весь запасенный в нем водород, в теплообменник компрессора подается холодная жидкость, которая охлаждает гидрид, что по., воляет произвести его зарядку водородом при пониженном давлении.
Для того чтобы лучше понять принцип работы компрессора, обратимся сно — к рис. 9.8. Пусть система находится в состоянии насыщения водородом (л = і в формуле LaNijH^) при низкой температуре (40 °С). При этих условиях равновесное давление водорода в системе будет равно 0,3 МПа (3 атм). Это состоян системы отмечено на рисунке точкой В. Цикл работы компрессора начинае нагревом гидрида до температуры 140 °С (точка С). В этом процессе к систе необходимо подвести количество теплоты А//К >с. Давление свободного водо повышается до 5 МПа (50 атм). а следовательно, увеличивается количество іа заполняющего пространство, не занятое гидридом. В процессе нагрева про. с ходит десорбция некоторого количества водорода, поэтому значение х немно уменьшается.
Десорбированный водород выводится из компрессора, при этом температ> гидридной системы понижается, так как десорбция протекает с поглощение теплоты. Для того чтобы компенсировать тепловой эффект реакции и подле рживать в компрессоре постоянный уровень температуры 140 °С, использус внешний источник теплоты. Давление в системе будет оставаться постоянны до тех пор, пока не будет достигнут нижний предел плато (точка D). Поли количество теплоты, подведенное в процессе десорбции, равно A#C_>D.
После того как система перешла в состояние, отмеченное точкой D, управ ющее устройство компрессора подает в теплообменник охлаждающую жидка Температура уменьшается до 40 °С, давление падает до 0,3 МПа, и система пс реходит в состояние, обозначенное на рис. 9.8 точкой А, при этом значение немного увеличивается по сравнению со значением в точке D вследствие абс бции небольшого количества водорода в процессе охлаждения. Для охлажден системы до указанной температуры необходимо отвести количество теплої равное АЯ0^а .
Затем в систему подается водород, который поглощается при практичес неизменяющемся давлении, немного превышающем 0,3 МПа, до тех пор, п цикл не замкнется в точке В В процессе перезарядки системы водородом ох лаждающая жидкость отводит количество теплоты, равное ДЯА >в.
Для приблизительной оценки максимально возможного КПД компресс учтем, что полезная работа, производимая компрессором, определяется процес сом изотермического1) сжатия водорода при увеличении давления от значен рА до значения рс:
Хотя температура газа на выходе компрессора немного превышает температуру газа на вч эта разница температур, как правило, настолько мала, что ею можно пренебречь.
W = RTAn(27)
Ра
а подведенная к системе энергия — в основном тепловым эффектом реакции десорбции AHC^D. Таким образом,
RTa In (р — Рл)
Пример
Гидридная система на основе сплава LaNi5 используется для сжатия водорода от 0,3 до
0. 5 МПа, при этом температура газа изменяется от 40 до 140 °С. Работа, производимая компрессором в процессе сжатия,
W = 8314(273 + 40) In 5. = 7,3 МДж/кмоль. (29)
Изменение энтальпии в процессе десорбции равно 30,2 МДж/кмоль. Таким образом, теоретический КПД определяется как
П = 7,3/30,2 = 0,24 , или 24%. (30)
Реальный КПД цикла оказывается существенно ниже, чем рассчитанный выше. Завышенное значение коэффициента полезного действия получается по следующим причинам.
1. В расчете не учтено количество теплоты, равное АНв^с, необходимое для разогрева системы от 40 до 140 °С. Это количество теплоты определяется следующими составляющими:
1.1. Теплотой, выделяющейся при десорбции некоторого количества водорода. Количество выделившейся теплоты пропорционально энергии образования гидрида и массе десорбированного водорода. Количество десорбированного водорода, в свою очередь, определяется уровнем давления в системе и относительной долей «мертвых зон» в рабочем объеме компрессора, размер которых зависит от диаметра частиц и плотности их упаковки в засыпке. Обычно на долю «мертвых зон» приходится до 60 % объема засыпки. На рис. 9.8 стехиометрические коэффициенты изменяются так, как указано в табл. 9.7.
|
Таблица 9.7. Значения стехиометрических индексов в различных точках цикла компрессора
|
Продолж. примег-
Отметим, что разность значений стехиометрического коэффициента х в точках и D такая же, как и между точками В и А, так как количество десорбированно водорода должно быть равно количеству абсорбированного водорода.
Количество водорода (кмоль), прокачанного за один цикл, в расчете на 1 км"
сплава равно — (хс — xD). Так как молекула водорода двухатомная, в приведен*
соотношении появляется коэффициент і. В рассматриваемом примере расчет указанной формуле дает значение 1,95 кмоль.
Количество водорода десорбированного при повышении температуры, ра
— (хв — хс), или для данного примера 0,48 кмоль. Таким образом, для прока’]
1 кмоля водорода к системе необходимо подвести (0,48/1,95)30,2 = 7,4 МД» понижает КПД компрессора до 7,3/(30,2 + 7,4) = 0,194 (19,4 %).
1.2. Теплотой, затраченной на разогрев гидрида от 40 до 140 °С. Теплоемг. — многих металлов и сплавов приблизительно равна 30 кДж/кмоль. Тсплоемк гидрида может быть немного выше. Для прокачки 1 кмоля водорода необходим приблизительно 0,5 кмоль сплава. Затраты теплоты на повышение темпе рал сплава равны 0,5 — 30 (140 — 40) = 1,5 МДж/кмоль водорода. С учетом этого фа — новое значение КПД равно 7,3/(30 + 7,4 +1,5) = 0,188 , или 18,8 %
1.3. Теплотой, затраченной на разогрев корпуса самого компрессора.
2. В приведенном выше расчете не учтены также тепловые потери в окружаюшч среду. Используемое оборудование должно быть хорошо теплоизолировано для уме- шения этих потерь. Увеличение размера корпуса компрессора, а значит, и повыше теплоемкости системы приводит к увеличению объема в расчете на единицу внеш поверхности и уменьшает тепловые потери. Большие компрессоры работают с мен шими тепловыми потерями.
3. В расчет не принимался тот факт, что температура греющей жидкости должна оы — выше температуры гидрида. Между стенками теплообменника должна быть разнос температур. Таким образом, перепад температур в гидриде оказывается меньше чех* в теплоносителе.
4. Не учитывался гистерезис. Как указывалось выше, значение равновесного давлен на плато при абсорбции оказывается выше соответствующего значения при десо ции на величину Ар . Две 20-градусные изотермы, приведенные на рис. 9.8, демо стрируют это явление. Площадь на графике, ограниченная изотермами абосрб и десорбции, определяет потери энергии. Так как величина Ар практически не завис от давления, при низких температурах, когда абсолютный уровень равновесного л~ ления уменьшается, важно учитывать гистерезис изотерм равновесного давления.
Лабораторные образцы компрессоров, в которых используется сплав LaN,5. и ют КПД около 6 %, что говорит о том, что существенную часть потерь состэе явления второго порядка. По эффективности гидридные компрессоры заметно тупают механическим компрессорам водорода, КПД которых обычно не ниже 60 Однако в гидридных компрессорах можно использовать энергию низкопотенш1. ных источников теплоты, имеющуюся, например, на тепловых электростанциях.
Использование LaNi5B качестве рабочего сплава обусловлено его высокой сорбционной емкостью, быстрой кинетикой реакции, оптимальным значением равновесного давления на плато, выгодной шириной рабочего диапазона давлений.
Одновременное использование трех устройств описанного выше типа позволяет обеспечить непрерывную подачу водорода. Устройства объединяют в единую систему таким образом, что пока один из компрессоров работает в режиме подачи водорода (разрядки), два других заряжаются. Обычно процесс зарядки одного устройства занимает не менее 10 мин.