Strojnícka fakulta TU v Košiciach

1

PROTOTYP VODÍKOVÉHO METALHYDRIDOVÉHO KOMPRESORA S TEPELNÝM ČERPADLOM

Abstrakt: Exponát je prototypom kompresora využívajúceho na stláčanie vodíka chemicko-tepelný cyklus absorpcie a desorpcie vodíka do intermetalickej štruktúry kovov. Použitá koncepcia vodíkového kompresora spočíva v použití vhodnej zliatiny kovov, ktorá umožňuje absorbovať vodík do svojej štruktúry pri nízkej teplote a tlaku. Po ohriatí zliatiny dochádza k výraznému navýšeniu tlaku, čo umožňuje stláčať vodík bez jeho priameho kontaktu s pohyblivými časťami, čím sa zvyšuje bezpečnosť procesu. Vodíkový kompresor pozostáva z dvojice tandemovo zapojených metalhydridových (MH) zásobníkov s integrovaným výmenníkom tepla. Zásobníky sú striedavo ohrievané a chladené, pričom pri absorpcii vodíka v jednom zásobníku dochádza k desorpcii v druhom zásobníku. Transport tepla na ohrev a chladenie je zabezpečený tepelným čerpadlom, vďaka ktorému dochádza k značnej úspore elektrickej energie. Riadiaci program je spustený v operačnom systéme Raspbian na Raspberry Pi. Zariadenie je chránené dvoma úžitkovými vzormi (SK 8388 Y1, SK 8320 Y1) a súčasne sú v štádiu schvaľovania dve patentové prihlášky.

Detailný popis zariadenia:

Základným princípom kompresie vodíka je jeho absorpcia do vhodnej kovovej zliatiny. Absorpcia prebieha pri zníženej teplote, pričom teplo je odoberané zo zásobníka pomocou tepelného čerpadla. Po absorpcii je nutné zliatinu ohriať na vyššiu teplotu, čím dôjde k výraznému zvýšeniu tlaku. Následne dochádza k desorpcii vodíka pri zvýšenej teplote a značne navýšenom tlaku. Po desorbovaní vodíka pri vyššom tlaku je nevyhnutné zliatinu opätovne schladiť a znížiť tak teplotu na počiatočnú hodnotu. Aby bolo možné zachovať kontinuálnu prevádzku kompresora, bolo navrhnuté tandemové zapojenie dvoch MH zásobníkov medzi ktorými je transportované teplo využitím tepelného čerpadla. V čase keď prebieha absorpcia v zásobníku MH1, dochádza k desorpcii vodíka zo zásobníka MH2. Pri zmene pracovnej teploty však ani jeden zo zásobníkov neabsorbuje vodík, a preto je kompresor vybavený pomocným medzizásobníkom MH3. Tento medzizásobník má vlastný teplotný manažment, ktorý je založený na dvojici Peltierových článkov. Pomocou nich je možné meniť teplotu v potrebnom rozsahu. Kompresor dosahuje v jednom vyhotovenom stupni kompresný pomer 4ε = . Stredná hodnota COP tepelného čerpadla je 3, čo znamená že na kompresiu sa použije 1/3 elektrickej energie v porovnaní s vyprodukovanou tepelnou energiou. To má za následok zníženie spotrebu elektrickej energie pri kompresii vodíka. Kompresor pracuje v jednom MH zásobníku počas jedného cyklu naraz s 0,3 m3 vodíka. Na obr. 1 je pohľad na finalizáciu zariadenia v priestoroch Strojníckej fakulty, TU v Košiciach.

Strojnícka fakulta TU v Košiciach

2

Obr. 1 Pohľad na finalizáciu konštrukcie metalhydridového kompresora

Súčasťou zapojenia vodíkového okruhu sú elektricky ovládané vodíkové ventily, poistné ventily a snímače tlaku s analógovým výstupným signálom. Na obr. 2 je pohľad na uskutočnené zapojenie vodíkového okruhu.

Obr. 2 Fotografia vodíkového okruhu

Úlohou vodíkového okruhu je distribúcia vodíka a meranie jeho parametrov počas prevádzky kompresora. Na obr. 3 je pohľad na tandemovú dvojicu MH zásobníkov a medzizásobníka s teplotným manažmentom.

Strojnícka fakulta TU v Košiciach

3

Obr. 3 Pohľad na tandemovú dvojicu MH zásobníkov a medzizásobníka s teplotným manažmentom

Pomocou elektronicky riadených trojcestných zónových ventilov vodného okruhu je možné meniť smer prúdenia teplonosného média z kondenzátora tepelného čerpadla do zásobníka MH1, resp. MH2. To umožňuje cyklickú zmenu teploty oboch zásobníkov. Pre zabezpečenie odvodu prebytočného tepla, ktoré vzniká ako dôsledok väčšieho tepelného výkonu v porovnaní s chladiacim je na strane kondenzátora umiestnený externý vzduchový chladič.

Tepelné čerpadlo bolo vytvorené na mieru v spolupráci s firmou Tatramat - ohrievače vody, s.r.o.. Pohľad na jeho konštrukčné vyhotovenie je zobrazené na obr. 4. Na obr. 5 je zobrazený pohľad na vodný okruh s ventilmi, čerpadlami a prietokomermi.

Obr. 4 Upravené tepelné čerpadlo pre potreby MH kompresora

Strojnícka fakulta TU v Košiciach

4

Obr. 5 Pohľad na vodný okruh MH kompresora.

Prototyp MH kompresora s tepelným čerpadlom je vytvorený v autonómnom prevedení ovládania. Na tento účel je implementovaný riadiaci minipočítač Raspberry Pi s prídavnými kartami (1-wire; A/D prevodník-16 vstupov; I/O porty – 32x). Operačným systémom je distribúcia Linuxu Raspbian. Riadiaci software je napísaný v jazyku C++ v prostredí Qt Creator. Pohľad na základné okno riadiaceho programu je zobrazené na obr. 9. Na obr. 10 je jedno z vedľajších okien s pohľadom na merané parametre zásobníka MH2. Kompresor je vybavený dotykovým monitorom pre riadenie a vizualizáciu nameraných dát. Jednou z výhod použitého minipočítača je, že zdrojový kód riadiaceho programu je možné meniť a kompilovať priamo v kompresore a v relatívne krátkom čase je preto možné optimalizovať činnosť merania a riadenia.

Obr. 6 Pohľad na základné okno riadiaceho programu

Strojnícka fakulta TU v Košiciach

5

Obr. 7 Okno programu monitorujúce činnosť zásobníka MH2

Prototyp kompresora bol vytvorený aj pre ďalší výskum v oblasti vývoja MH kompresorov, preto je konštrukčne riešený ako merací stand. Konštrukčne je zostavený z nezávislých modulov pre možnosť rýchlej výmeny počas optimalizácie zariadenia. To umožňuje efektívne výmeny a konštrukčné optimalizácie. Celkovo je na riadiace PC pripojených 36 snímačov teploty, na základe ktorých je možné sledovať teplotné polia jednotlivých komponentov. Merací systém ďalej obsahuje 7 snímačov tlakov (5 pre H2, 2 pre chladivo tepelného čerpadla) a 4 prietokomery (1 hmotnostný prietokomer vodíka a 3 prietokomery chladiacej vody). Na výstupe z I/O portov je pripojených 27 relé, pomocou ktorých je možné riadiť všetky zariadenia kompresora (elektronické ventily, zariadenia, chladiče, ...).

Prototyp MH kompresora je prvým zariadením svojho druhu v strednej Európe a umožňuje výskum a vývoj v oblasti vodíkových technológií. Na vývoji zariadenia sa podieľajú zamestnanci Strojníckej fakulty, domáci aj zahraniční študenti.

Projekty: Exponát bol vyvinutý v rámci projektu VEGA č. 1/0752/16 s názvom „Výskum funkcie, činnosti a riadenia nového typu vodíkového kompresora poháňaného teplom akumulovaným a generovaným v hydridoch kovov v procese uskladňovania vodíka“, projektu VEGA č. 1/0108/19 s názvom „Výskum možností využitia metalhydridových zliatin pre vysokoúčinnú separáciu vodíka zo syntéznych plynov vznikajúcich pri spracovaní odpadov plazmovou technológiou“, projektu KEGA č. 005TUKE-4/2016 s názvom „Implementácia nových technológií v oblasti výroby a uskladnenia vodíka a ich transformácia do edukačného procesu pre zvýšenie kvality vzdelávania v odbore energetické stroje a zariadenia“, projektu KEGA č. 005TUKE-4/2019 s názvom „Transfer poznatkov z výskumu vodíkového kompresora poháňaného teplom akumulovaným a generovaným v hydridoch kovov v procese uskladňovania vodíka do študijného programu energetické stroje a zariadenia“ a projektu APVV-15-0202 s názvom „Vývoj zariadenia pre efektívnu kompresiu a uskladnenie vodíka pomocou nových metalhydridových zliatin“.

Strojnícka fakulta TU v Košiciach

6

Zariadenie je chránené dvoma úžitkovými vzormi (SK 8388 Y1, SK 8320 Y1) a súčasne sú v štádiu schvaľovania dve patentové prihlášky.

Podrobnejšie informácie:

Katedra energetickej techniky, Strojnícka fakulta, TU v Košiciach doc. Ing. Tomáš Brestovič, PhD., tomas.brestovic@tuke.sk, +421 908 377 567 Vysokoškolská 4, 042 00 Košice,

www.sjf.tuke.sk/ket/