УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК C25B9/00 C25B1/02 F02M21/02 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза.

Из существующего уровня техники известно устройство для преобразования механической энергии в электрическую, а затем в химическую путем разложения воды электролизом раствора электролита и получения при этом водорода и кислорода. Данное устройство содержит емкость с валом, который установлен в опорах на остове с возможностью вращения. Он кинематически связан с приводом вращения, например с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и генератором электрического тока. Емкость заполнена раствором электролита, в ней имеются электроды, включенные в электрическую цепь генератора, и каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза (см. РФ, Патент N 2015395, F 02 М 21/00, 1990 г.).

Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует принципиально иные конструктивные подходы к получению конечного результата от использования известного изобретения. Кроме того, данное устройство не позволяет совершать нетрадиционные преобразования энергии, тем более в комплексе: одновременно несколько параллельных циклов преобразования.

Это устройство во время вращения емкости обеспечивает последовательное преобразование механической энергии привода сначала в электричество и только затем в химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода. Такая обязательная последовательность преобразования энергии предопределяет низкий коэффициент полезного действия (КПД) устройства, поскольку компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной электроэнергии, и не обеспечивает возможности ее полезного использования на внешней нагрузке без резкого снижения выхода водорода и кислорода.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание устройства, которое позволяло бы совершать параллельное преобразование механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.

К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно отнести повышение эффективности электролиза, получение наряду с кислородом и водородом электрической энергии, и утилизацию тепла любого природного или техногенного происхождения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, согласно изобретению, снабжено теплообменником, электроды или короткозамкнуты между собой или соединены в контур через потребитель электроэнергии, а емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ее вращения ω, определяемой из следующего математического соотношения:

где q_a, q_k - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в стехиометрическом соотношении;
Т - абсолютная температура раствора, К;
Δ m - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг;
ρ - линейная концентрация тяжелых ионов, м^-1;
ρ = 10(C•N)^1/3, где
C - мольная концентрация раствора, моль • л^-1,
N - число Авогадро, моль^-1;
h - высота столба раствора, м;
К - степень диссоциации электролита, 10^-2%;
R - внутренний радиус емкости, м;
α - температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К^-1;
ε_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф•м^-1;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воды;
r_в - эффективный радиус молекулы воды, м;
r_u- эффективный радиус тяжелого иона, м.

Представленная выше математическая зависимость получена в результате эмпирических и теоретических исследований. Математические выкладки и обоснование этой зависимости достаточно объемны и, для того чтобы не перегружать материалы настоящей заявки, не приводятся.

На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы различных конструктивных решений заявленного устройства для преобразования энергии.

Устройство содержит остов 1, на котором на валу 2 установлена вращающаяся емкость 3, заполненная водным раствором электролита. Емкость 3 связана с приводом вращения (не показан). Устройство имеет электроды 4 и 5, а также каналы 6, 7 и 8 соответственно для подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза.

Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные выполнения его теплообменника. Так, на фиг. 1 изображен, например, трубчатый теплообменник 9, размещенный в полости емкости 3, а в другом варианте конструктивного решения, представленного на фиг. 2, функции теплообменника 9 может выполнять корпус емкости 3.

Относительно конструктивного выполнения электродов, уместно сказать, следующее. В качестве одного электрода 4 может быть использована внутренняя поверхность вращающейся емкости 3. В качестве второго электрода 5 могут быть использованы различные конструктивные элементы, размещенные, например, на валу 2 внутри емкости 3. Так на фиг. 1 и 2 электрод 5 конструктивно представлен в виде, например, металлических взаимосвязанных между собой дисков, установленных на валу 2 с возможностью свободного вращения. В зависимости от химического состава используемого в устройстве электролита каждый электрод может выполнять функцию катода или анода.

В одном из конструктивных вариантов устройство может быть, например, снабжено сепаратором 10. В других же случаях (фиг. 2), например при агрегатировании устройства с двигателем внутреннего сгорания, нет необходимости осуществлять разделение водорода и кислорода, поскольку их направляют на последующее сжигание, поэтому сепаратор 10 не применяют. Кроме того, раствор электролита может выполнять функцию теплоносителя, а следовательно, внутренний теплообменник 9 также нецелесообразен.

Конструктивные выполнения теплообменника и электродов в предмет настоящего изобретения не входят.

Электроды 4 и 5 могут быть короткозамкнуты между собой (конструктивно это осуществить несложно, поэтому в данной заявке это выполнение не приводится; оно не входит в объем притязаний), или же электроды могут быть соединены, например, скользящим контактом 11, в контур через потребитель электроэнергии (не показано). Данное соединение технически многовариантно и не входит в объем испрашиваемой правовой охраны. Следует только иметь в виду, что соединение в контур через потребителя электроэнергии стало возможным лишь потому, что в результате работы данного устройства вырабатывается электроэнергия - отсюда появление потребителя электроэнергии.

В одном из конструктивных выполнений для уменьшения потерь на трение емкости 3 о воздух она может быть заключена в кожух 12 (в предмет изобретения не входит), образующий герметичную полость, сообщенную или с системой забора воздуха двигателя внутреннего сгорания или вакуумным насосом, которые понижают давление газа, а тем самым и силу трения.

Кроме того, для обеспечения циркуляции раствора электролита диски электрода 5 могут содержать радиальные каналы, а сами быть кинематически связанными с тормозным устройством (не показано), обеспечивающим их меньшую частоту вращения по отношению к емкости 3, что порождает в каналах динамический поток жидкости. Эти конструктивные решения в предмет изобретения не входят. Что касается математического соотношения, определяющего ясную скорость вращения ω:

то, как было отмечено выше, математические выкладки, приведшие к данной зависимости, достаточно громоздки и приводить их в материалах заявки нецелесообразно.

Устройство для преобразования энергии функционирует следующим образом.

В устройство во вращающуюся емкость 3 через канал 6 подают заранее подготовленный раствор электролита необходимого объема. При этом его уровень перекрывает электрод 5. Разгоняют емкость 3 до частоты вращения, определенную для данного устройства по вышеприведенной формуле. Если указанный параметр будет ниже расчетного (порогового) значения, то резко снижается эффективность электролиза, связанная с процессом разложения воды, или он вообще будет неосуществим. При достижении этой частоты вращения происходит разложение воды на водород и кислород, а в устройстве обеспечивается дозированное поступление воды или свежего раствора электролита в емкость 3 по каналу 6 и удаление из нее водорода, кислорода, а также других промежуточных и конечных продуктов процесса через соответствующие каналы 7 и 8.

В процессе работы данного устройства под действием центробежной силы в емкости 3 создается поле искусственной силы тяжести, в котором катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы своим электрическим полем будут воздействовать друг на друга и на периферии раствора на внутренней поверхности емкости 3, как на одном из электродов, образуется зона с повышенной концентрацией одноименных ионов, например анионов, то есть отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует на внешней поверхности емкости 3 адекватный заряд (потенциал) из электриков проводимости.

В свою очередь легкие ионы сконцентрируются в области между указанным пространственным зарядом и электродом 5, образуя свой пространственный заряд (потенциал) противоположного знака. Расстояние между катионами и анионами в растворе на условной границе соприкосновения двух пространственных зарядов всегда больше расстояния между катионами и поверхностью катода, а следовательно, напряженность электрического поля в последнем случае выше. По этой причине возникшее равновесие будет нарушено и нарушено именно на электроде 5, если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов. Тогда они приблизятся к поверхности электрода 5 и разрядятся. Тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к поверхности другого электрода 4, не могут существовать в растворе обособленно, поэтому они также отдадут свой заряд электроду 4 и между ними через скользящий контакт 11 или по короткозамкнутому проводнику потечет постоянный электрический ток. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Таким образом, в заявленном устройстве для преобразования энергии электрический ток порождается протекающими окислительно-восстановительными химическими реакциями на электродах, а не наоборот, что имеет место в известном устройстве-прототипе.

Реакции образования молекулярных водорода и кислорода экзотермичны, что указывает на возможность их самопроизвольного протекании, но только при условии преодоления энергетического барьера, установленного силами гидратных связей. Этот барьер разрушается механическим полем искусственной силы тяжести. В соответствии с этим процесс становится необратимым и получает устойчивый долговременный характер, поскольку указанное поле постоянно, а на смену разрядившимся (восстановленным) ионам поступают новые из других слоев раствора. Восстановленные водород и кислород всплывают к центру емкости 3, при необходимости разделяются сепаратором 10 и удаляются из нее через соответствующие каналы 7 и 8, отдавая раствору приобретенное ими количество движения, а тем самым обеспечивая снижение затрат механической энергии на приводе устройства.

Производительность заявленного устройства по водороду регулируется изменением частоты вращения емкости 3 или величины омического сопротивления внешней электрической нагрузки потребителя. При ее минимальном значении, то есть коротком замыкании (короткозамкнутость электродов), напряжение на электродах будет равно сумме концентрационной разности потенциалов и электродвижущей силе (ЭДС) центробежного поля, а если внешнее сопротивление возрастет, то адекватно увеличится напряжение на электродах и уменьшится ток на нагрузке потребителя. В этом отношении заявленное устройство существенно отличается от известных электрохимических и электромагнитных источников тока и преобразователей энергии.

Кроме того, следует отметить также и другие особенности рабочего процесса заявленного устройства.

Процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии раствора, в результате чего температура раствора постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то раствор замерзнет и процесс прекратится. По этой причине раствор подогревают. В случае, когда приток тепла недостаточен, температура раствора станет ниже температуры окружающей среды, и создадутся необходимые условия для поглощения внешнего тепла в режиме электрохимического теплового насоса. Данное устройство в этом режиме низкопотенциальную тепловую энергию превращает в высокопотенциальную химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода. Это дает возможность после их сжигания снова получить тепловую энергию, но уже более высокого потенциала, т.е. максимально сконцентрировать (трансформировать) для использования.

Следует обратить внимание на то, что подведенная к устройству тепловая энергия в результате совершения механической работы по деформированию гидратных связей ионов в водном растворе электролита параллельно полностью преобразуется в потенциальную химическую и электрическую энергии. Его общий КПД существенно больше, чем у прототипа, и в среднем составляет не менее 0,8. При вышеуказанной угловой скорости вращения ω емкости 3 полученная электроэнергия целиком затрачивается на преодоление внутреннего омического сопротивления самого устройства, а в случае превышения пороговой частоты ω избыток подведенной механической энергии порождает уже внешнюю силовую электрическую энергию (поскольку плотность тока достигает максимального значения или состояния насыщения, а напряжение неограниченно возрастает), которая, в свою очередь, уже способна производить работу на потребителе. Тем самым устройство приобретает свойства термохимического источника (генератора) электрического тока, работающего с побочным выделением свободных водорода, кислорода и поглощением тепла.

Таким образом, имеет место устройство для преобразования механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.

Конструкция заявленного устройства для преобразования энергии достаточно проста. Оно изготавливается в условиях как единичного, так и серийного производства с использованием традиционных конструкционных материалов и известных электролитов. Обладая высокими удельными показателями, например массовой тепловой мощностью 17-40 кДж•кг^-1 раствора, производительностью по водороду 15 - 35 моль • м^-2• с^-1 электрода и средней объемной электрической мощностью порядка 2,2 МВт • м^-3, это устройство может быть применено, например, в агрегате с ДВС автомобиля, трактора, тепловоза самолета, морского судна и других транспортных средств, повышая их топливную экономичность в два раза, с паровыми турбинами тепловых и атомных электростанций, а также автономном исполнении для утилизации промышленного тепла в металлургии или природного в сельском хозяйстве.

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, которое позволяло бы совершать параллельное преобразование механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза, получении наряду с кислородом и водородом электрической энергии и утилизации тепла. Устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза содержит вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита. Емкость установлена на остове и связана с приводом вращения. В устройстве имеются электроды, каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза. Устройство имеет теплообменник. Электроды устройства или коротко замкнуты между собой или соединены в контур через потребитель электроэнергии. Емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ω ее вращения, определяемой из математического соотношения, приведенного в формуле изобретения. 2 ил.

Устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, отличающееся тем, что устройство снабжено теплообменником, электроды или коротко замкнуты между собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии, а емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ω ее вращения, определяемой из следующего математического соотношения:

где q_a, q_k - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в стехиометрическом соотношении;
Т - абсолютная температура раствора, К;
Δm - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг;
ρ - линейная концентрация тяжелых ионов, м^-1, ρ = 10(С•N)^1/3,
где С - мольная концентрация раствора, моль • л^-1;
N - число Авогадро, моль^-1;
h - высота столба раствора, м;
К - степень диссоциации электролита, 10^-2%;
R - внутренний радиус емкости, м;
α - температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К^-1;
ε₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф • м^-1;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость воды;
r_в - эффективный радиус молекулы воды, м;
r_u - эффективный радиус тяжелого иона, м.