СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2009 года по МПК C09K5/18 B65D83/74 

Изобретение относится к основанным на экзотермических химических реакциях способам получения тепловой энергии, предпочтительно для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением.

Как следует из достигнутого уровня техники, экзотермическая химическая реакция взаимодействия окиси кальция с водой широко используется при получении тепловой энергии, предназначенной для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением (см., например, патент US-A №4741324, 1988). Однако использование (при осуществлении экзотермической химической реакции) окиси кальция в качестве реагента в твердом состоянии влечет за собой существенное увеличение количества используемого для нагрева пищевого продукта окиси кальция по сравнению с тем количеством окиси кальция, которое теоретически необходимо для получения количества тепла, требуемого для нагрева определенного количества пищевого продукта до заданной температуры. Причиной этого является несоответствие временной зависимости процесса взаимодействия окиси кальция с водой процессу нагрева пищевых продуктов. Действительно, нагрев пищевых продуктов происходит за счет достаточно инерционного процесса теплопередачи, а экзотермическая химическая реакция между окисью кальция и водой протекает достаточно медленно только на начальной стадии. После достижения определенной температуры (приблизительно 40°С) экзотермическая химическая реакция между окисью кальция и водой идет практически по экспоненциальной зависимости и заканчивается через очень короткое время (см. заявку GB - А - №2089970, 1982).

В упомянутой выше заявке описан способ получения тепловой энергии, включающий инициирование экзотермической химической реакции путем подачи реагента в жидком состоянии на смесь (порошковую) реагентов в твердом состоянии, при этом в качестве реагента в жидком состоянии используют однопроцентный водный раствор этиленгликоля, а в качестве реагентов в твердом состоянии - смесь окиси кальция с хлористым кальцием, взятых в соотношении 10:1.

Этот способ позволяет устранить отмеченный выше недостаток, а именно увеличить время выделения тепловой энергии (длительность работы термического модуля). Это обеспечивается, во-первых, за счет сокращения времени, необходимого для достижения температурой экзотермической химической реакции заданного значения, благодаря введению дополнительного реагента - хлористого кальция, немедленно вступающего в экзотермическую химическую реакцию при контакте с водой, а во-вторых, за счет замедления темпа реакции между окисью кальция и водой благодаря увеличению вязкости реагента в жидком состоянии.

Недостаток этого способа заключается в том, что использование при его осуществлении гликоля не обеспечивает высокой безопасности, в том числе и экологической.

Известен также способ получения тепловой энергии, взятый в качестве прототипа и включающий инициирование экзотермической химической реакции путем смешения реагента в твердом состоянии, в качестве которого используют окись кальция, с неорганическим или органическим кристаллогидратом (см. патент US- А №4338098, 1982).

Основной недостаток описанного выше способа получения тепловой энергии заключается в том, что на кинетику экзотермической химической реакции большое влияние оказывают параметры используемых при осуществлении данного способа средств, предназначенных для смешения порошка или гранул окиси кальция с порошком или гранулами используемого кристаллогидрата. Кроме того, средства, предназначенные для смешения окиси кальция с кристаллогидратом, имеют достаточно сложную конструкцию, что существенно ограничивает область использования способа, а низкий темп реакции между окисью кальция и водой на начальной стадии приводит к снижению эффективности использования тепловой энергии, выделившейся в результате экзотермической химической реакции.

Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по обеспечению упрощения технической реализации способа получения тепловой энергии при одновременном повышении воспроизводимости температурно-временных параметров экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой, а также повышении эффективности использования выделившейся тепловой энергии.

Поставленная задача решена тем, что в способе получения тепловой энергии, включающем инициирование экзотермической химической реакции, согласно изобретению инициирование экзотермической химической реакции осуществляют между исходными компонентами, находящимися соответственно в твердом и жидком состояниях, путем подачи компонент в одном агрегатном состоянии на компоненты в другом агрегатном состоянии, при этом в качестве компонента в жидком состоянии используют воду или 3-32% водный раствор перекиси водорода, а в качестве компонент в твердом состоянии используют окись кальция и безводный силикагель в виде их смеси, причем количество силикагеля определяют в соответствии с соотношением: K₁=(0,9-1,3)K₂, где K₁ - количество силикагеля [г], К₂ - количество воды или водного раствора перекиси водорода [г].

Предложенный способ получения тепловой энергии так же, как и способ, известный из прототипа, позволяет увеличить время выделения тепловой энергии при осуществлении экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой за счет замедления ее темпа.

Преимущество же предложенного способа получения тепловой энергии перед известным, взятым в качестве прототипа, заключается в достижении следующих технических результатов:

- упрощении технической реализации способа, поскольку для его реализации используются компоненты не в твердом состоянии (как в прототипе), смешение которых для осуществления химической реакции уже само по себе затруднительно, а компоненты, находящиеся в твердом и жидком состояниях, и для их смешения могут быть использованы широко известные из патентной документации (см. приведенные ниже ссылки) средства, предназначенные для механического разрушения перегородки (мембраны, оболочки замкнутой камеры и т.п.), разделяющей изолированные компоненты в жидком и твердом состояниях друг от друга, при одновременном повышении воспроизводимости температурно-временных параметров экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой;

- повышении эффективности использования выделившейся тепловой энергии, во-первых, за счет не только обеспечения паровыделения в процессе протекания экзотермической химической реакции, но и получения требуемых параметров паровыделения, а во-вторых, за счет уменьшения времени, необходимого для достижения температуры, равной 100°С, за счет использования вместо воды 3-32% водного раствора перекиси водорода.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами, демонстрирующими возможность достижения ожидаемых технических результатов с помощью указанной выше совокупности существенных признаков.

На фиг.1 изображены температурно-временные зависимости (каждая из которых получена усреднением результатов по восьми опытам), характеризующие протекание экзотермической химической реакции между окисью кальция (30 г) и водой (10 г) при различном количестве K₁ безводного силикагеля, при этом зависимость 1 получена при К₁=0, зависимость 2 - при К₁=0,5 К₂, зависимость 3 - при K₁=0,7 К₂, зависимость 4 - при K₁=0,9 К₂, зависимость 5 - при K₁=К₂, зависимость 6 - при К₁=1,2 К₂, а зависимость 7 - при K₁=1,3 К₂ и зависимость 8 - при K₁=1,5 К₂.

На фиг.2 изображена зависимость Δt [сек] от процентного содержания перекиси водорода (Н₂O₂), где Δt - увеличение продолжительности поддержания температуры реакции на уровне, превышающем 100°С по сравнению с той же продолжительностью, полученной при использовании воды в качестве компонента в жидком состоянии. Во всех примерах использовался высокочистый безводный силикагель, с содержанием примесей (железа, алюминия, натрия) 10^-3 мас.%, с сорбционной емкостью 0,8-1,2 ммоль экв/г и с размером частиц от 100-1500 мк, при этом результаты опытов от размеров гранул силикагеля не зависели.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. Инициирование экзотермической химической реакции осуществляют путем подачи исходных компонент в одном агрегатном состоянии на исходные компоненты в другом агрегатном состоянии, а именно либо жидкость (воду или 3-32% водный раствор перекиси водорода) подают на смесь порошковых или гранулированных компонент в твердом состоянии (окиси кальция и безводного силикагеля) с помощью средств, описанных, например, в патентах US-A - №4773389, 1988, RU - А - №2144163, 1996, в заявке GB - А - №2089970, 1982), либо смесь порошковых или гранулированных компонент (окись кальция и безводный силикагель) подают на воду или 3-32% водный раствор перекиси водорода, например, с помощью средств, описанных в патенте US - А - №3970068, 1976, фиг.11).

Таким образом, в обоих описанных выше случаях окись кальция и безводный силикагель одновременно вступают в контакт с водой. В результате одновременно с экзотермической химической реакцией между окисью кальция и водой, а именно СаО+Н₂O=Са(ОН)₂, начнется интенсивный процесс сорбции воды безводным силикагелем. Вследствие высокой скорости сорбции воды силикагелем обеспечиваются оптимальные условия (с точки зрения количества воды в жидком состоянии) на начальной стадии протекания экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой. С другой стороны, использование компонент в твердом состоянии в виде их смеси обеспечивает распределение избыточной (на начальной стадии протекания экзотермической химической реакции) воды в связанном состоянии по всему их объему. В дальнейшем с повышением температуры в реакционной зоне, начинается обратный процесс - десорбции аккумулированной в силикагеле воды, обеспечивающий, с одной стороны, дальнейшее протекание экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой, а с другой стороны, замедление темпа этой реакции. Следствием этого является увеличение времени выделения тепловой энергии более чем в два раза по сравнению с тем же показателем, полученным при отсутствии силикагеля.

Из представленных на фиг.1 температурно-временных зависимостей следует, что изменение количества безводного силикагеля в смеси оказывает различное влияние на параметры этих зависимостей при K₁<К₂ и K₁>К₂.

Действительно, при K₁<К₂ увеличение количества безводного силикагеля (при неизменных количествах окиси кальция и воды) приводит к уменьшению достигаемого максимального значения температуры, к смещению максимума температуры в область больших времен и к увеличению продолжительности поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С. Кроме того, с увеличением количества безводного силикагеля максимум на температурно-временной зависимости становится менее выраженным.

В отличие от описанного выше, при K₁>К₂ увеличение количества безводного силикагеля (при неизменных количествах окиси кальция и воды) приводит к уменьшению достигаемого максимального значения температуры, к смещению максимума в область меньших времен и к уменьшению продолжительности поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С.

Кроме того, было установлено следующее. При осуществлении экзотермической химической реакции между окисью кальция и водой в отсутствие безводного силикагеля увеличение количества воды по сравнению с тем количеством К₂ ^о, которое требуется в соответствии с реакцией между окисью кальция и водой (СаО:Н₂O приблизительно 3:1), приводит к срыву реакционного процесса, а именно по завершению реакционного процесса остается непрореагировавшая окись кальция. При этом, чем больше избыточной воды (по сравнению с К₂ ^о), тем быстрее происходит срыв реакционного процесса.

Иная картина имеет место при использовании безводного силикагеля. В этом случае при K₁>К₂ увеличение количества воды (до К₂=(2,3-2,6)К₂ ^о) не приводит к срыву реакционного процесса, а приводит к увеличению парообразования при протекании экзотермической химической реакции, а следовательно, к повышению эффективности использования выделившейся тепловой энергии за счет улучшения теплопередачи к нагреваемому объекту. При этом избыток воды (в указанных выше пределах) практически (в пределах погрешности измерения температуры) не влияет на температурно-временные параметры реакционного процесса. Дальнейшее увеличение количества избыточной воды приводит к уменьшению как максимально достигаемой температуры, так и продолжительности поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С.

Что касается пределов содержания K₁ безводного силикагеля по отношению к количеству К₂ используемой при экзотермической химической реакции воды, а именно K₁=(0,9-1,3)К₂, то они выбраны (как следует из представленных на фиг.1 зависимостей) исходя из обеспечения не менее пятнадцатиминутной продолжительности поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С.

Согласно настоящему изобретению в качестве альтернативного компонента в жидком состоянии используют 3-32% водный раствор перекиси водорода. Как следует из представленной на фиг.2 зависимости, использование 3-32% водного раствора перекиси водорода позволяет (в зависимости от содержания Н₂O₂) увеличить от 2 мин до 6 мин продолжительность поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С по сравнению с той же продолжительностью, полученной при использовании в качестве компонента в жидком состоянии воды. Кроме того, в указанном диапазоне концентраций перекиси водорода на 4-7 сек уменьшается время, необходимое для достижения 100°С. В остальном температурно-временные зависимости имеют те же особенности, какие были отмечены выше при анализе зависимостей, представленных на фиг.1. Это позволяет сделать вывод о том, что все сказанное выше (относительно процессов, имеющих место при протекании экзотермической химической реакции) справедливо и при использовании вместо воды 3-32% водного раствора перекиси водорода, а увеличение продолжительности поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С, обусловлено кислородом, выделяющимся при разложении перекиси водорода.

Как уже отмечалось выше, во всех проведенных опытах обеспечивается не только упрощение технической реализации заявленного способа, поскольку осуществляют смешение компонент не в твердом состоянии (как в прототипе), которое должно быть осуществлено с использованием средств сложной конструкции, с тем чтобы скрытая в кристаллогидрате вода начала взаимодействовать с оксидом кальция, а компонент, находящихся в твердом и жидком состояниях, но вместе с тем и осуществляется паровыделение (отсутствовавшее в прототипе) с получением требуемых параметров паровыделения.

Каждый опыт проводился не менее 8 раз. При этом разброс значений получаемых параметров составил 3-4%, что обеспечивает достижение заявленного технического результата - повышение воспроизводимости температурно-временных параметров экзотермической реакции между компонентами, находящимися в твердом состоянии (окись кальция и безводный силикагель) и компонентами, находящимися в жидком состоянии (вода или 3-32% водный раствор перекиси водорода).

В дальнейшем изобретение поясняется конкретными примерами.

Во всех примерах использовался порошок оксида кальция СаО (ч), ГОСТ 8677-76, высокочистый безводный силикагель с содержанием примесей (железа, алюминия, натрия) 10^-3 мас.%, с сорбционной емкостью 0,8-1,2 ммоль экв/г и с размером частиц 1500 мк.

В практически важных случаях, а именно для нагрева пищевого (как правило, порционного) продукта массой 150 г, используется оксид кальция в количестве от 20-50 грамм.

Конкретные примеры реализации способа.

Примеры реализации способа при использовании в качестве жидкой компоненты воды.

Пример 1.

Для нагрева порционного пищевого продукта массой 150 г берут 25 г оксида кальция, 25 г воды. Количество безводного силикагеля, с учетом заявленного «рабочего» диапазона его использования по данному изобретению, рассчитывается из выведенной зависимости: K₁=(0,9-1,3)K₂, где К₁ - количество силикагеля [г], К₂ - количество воды (в данном примере) [г] и составляет соответственно 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г.

Компоненты, находящиеся в твердом состоянии (смесь оксида кальция и безводного силикагеля) и в жидком состоянии (в данном примере вода), находятся в изолированном друг от друга виде. При приведении в непосредственный контакт указанных компонент (с помощью средств, описанных в приведенных выше патентах) инициируется экзотермическая реакция между оксидом кальция и водой, при участии безводного силикагеля, с одновременной генерацией пара.

При проведении такого процесса при увеличении количества безводного силикагеля (22,5 г; 30,0 г; 32,5 г) при постоянных значениях оксида кальция (25 г) и количества воды (25 г) наблюдается снижение количества выделившегося пара соответственно - 6,3 мл; 5,9 мл; 5,5 мл. Это происходит вследствие того, что вода в начальный период времени более интенсивно сорбируется большим количеством силикагеля, нежели успевает перейти в газообразное состояние, т.е. испарится в виде пара.

Продолжительность протекания данной экзотермической реакции при температуре выше 100°С (при неизменных значениях оксида кальция и воды) также изменяется в зависимости от количества безводного силикагеля. Так, при количестве силикагеля 22,5 г продолжительность составляет 14,8 мин, а при количестве силикагеля 30,0 г; 32,5 г соответственно 18,5 мин и 16,2 мин.

Таким образом, при количестве силикагеля 22,5 г, т.е. меньшем количества используемой воды, продолжительность процесса при температуре более 100°С составляет 14,8 минут, т.е. условие о соблюдении не менее 15-минутной продолжительности поддержания температуры выше 100°С, необходимой для полного и равномерного нагрева порционного пищевого продукта, соблюдается. Вместе с тем, представленные на фиг.1 зависимости продолжительности процесса при уменьшении количества силикагеля (зависимости №3, 2, 1), с учетом их объяснения в разделе описания, показывают, что продолжительность процесса уменьшается по отношению к требуемой 15-минутной продолжительности, не обеспечивая тем самым необходимую для полного и равномерного нагрева порционного пищевого продукта, продолжительность такого нагрева. Именно этим обусловлен выбор нижнего значения предела содержания безводного силикагеля в количестве (0,9 К₂), где К₂ - количество воды (в данном примере).

Одновременно при количестве силикагеля 30,0 г и 32,5 г, т.е. большем, чем вводимое количество воды, продолжительность процесса при температуре более 100°С составляет соответственно 18,5 мин и 16,2 мин, т.е. условие о соблюдении не менее 15-минутной продолжительности поддержания температуры выше 100°С, необходимой для полного и равномерного нагрева порционного пищевого продукта, соблюдается. Однако дальнейшее увеличение количества безводного силикагеля при постоянном количестве воды приводит к уменьшению продолжительности нагрева, которая становится менее 15 минут, что подтверждается представленной на фиг.1 зависимостью №8 и раскрыто в описании. Таким образом, определен выбор верхнего значения предела содержания безводного силикагеля в количестве - (1,3 К₂), где К₂ - количество воды (в данном примере).

При проведении процесса с указанными количествами ингредиентов время, которое необходимо для достижения температуры 100°С, составляет: при количестве силикагеля 22,5 г - 30 сек, при 30,0 г - 31,5 сек, при 32,5 г - 31,8 сек. С увеличением количества силикагеля (при прочих постоянных параметрах) увеличивается время достижения температуры в 100°С. Это объясняется тем, что большее количество силикагеля быстрее сорбирует вводимое количество воды, тем самым замедляя темп реакции между водой и оксидом кальция.

Пример 2.

Для нагрева порционного пищевого продукта массой 150 г берут 25 г оксида кальция, 30 г воды. Количество безводного силикагеля, с учетом заявленного «рабочего» диапазона его использования по данному изобретению, рассчитывается из выведенной зависимости: K₁=(0,9-1,3)K₂, где K₁ - количество силикагеля [г], К₂ - количество воды (в данном примере) [г] и составляет соответственно 27,0 г; 36,0 г; 39,0 г.

Начало реакции инициируется путем приведения в непосредственный контакт изолированных компонент, находящихся в твердом состоянии (смесь оксида кальция и безводного силикагеля) и в жидком состоянии (в данном примере вода), с помощью средств, описанных в приведенных выше патентах.

При проведении такого процесса при увеличении количества безводного силикагеля (27,0 г; 36,0 г; 39,0 г) при постоянных значениях оксида кальция (25 г) и количества воды (30 г) наблюдается снижение количества выделившегося пара соответственно - 6,7 мл; 6,3 мл; 5,9 мл вследствие повышения сорбции воды увеличиваемым количеством силикагеля, которая затем посредством десорбции из силикагеля вступает в реакцию с оксидом кальция с образованием гидроксида кальция (Са(ОН)₂).

Продолжительность протекания данной экзотермической реакции при температуре выше 100°С (при неизменных значениях оксида кальция и воды) также изменяется в зависимости от количества безводного силикагеля. Так, при количестве силикагеля 27,0 г продолжительность составляет 15,4 мин, а при количестве силикагеля 36,0 г, 39,0 г соответственно 19,0 мин и 16,6 мин.

При проведении процесса с указанными количествами ингредиентов увеличивается время, которое необходимо для достижения температуры 100°С. Так, при количестве силикагеля 27,0 г время составляет 30,9 сек; при 36,0 г - 31,6 сек; при 39,0 г - 31,9 сек, поскольку большее количество силикагеля (при прочих постоянных параметрах) замедляет темп реакции между водой и оксидом кальция.

Пример 3.

Для нагрева порционного пищевого продукта массой 150 г берут 25 г оксида кальция, 35 г воды. Количество безводного силикагеля, с учетом заявленного «рабочего» диапазона его использования по данному изобретению, рассчитывается из выведенной зависимости: K₁=(0,9-1,3)K₂, где K₁ - количество силикагеля [г], К₂ - количество воды (в данном примере) [г] и составляет соответственно 31,5 г; 42,0 г; 45,5 г.

Изолированные компоненты, находящиеся в твердом состоянии (смесь оксида кальция и безводного силикагеля) и в жидком состоянии (в данном примере вода), приводят в непосредственный контакт друг с другом.

Инициирование приведения в контакт данных компонентов приводит к осуществлению реакции между оксидом кальция и водой с образованием гидроксида кальция (Са(ОН)₂) и парообразованию.

При увеличении количества безводного силикагеля (31,5 г; 42,0 г; 45,5 г) при постоянных значениях оксида кальция (25 г) и количества воды (35 г) наблюдается снижение количества выделившегося пара соответственно - 7,0 мл; 6,5 мл; 6,0 мл вследствие большего «захвата» воды силикагелем на начальном этапе реакции и соответственного уменьшения количества воды, которое смогло бы перейти в пар.

Продолжительность протекания данной экзотермической реакции при температуре выше 100°С (при неизменных значениях оксида кальция и воды) также изменяется в зависимости от количества безводного силикагеля. Так, при количестве силикагеля 31,5 г, продолжительность составляет 15,6 мин, а при количестве силикагеля 42,0 г; 45,5 г соответственно 19,4 мин и 17,4 мин.

При проведении процесса с указанными количествами ингредиентов время, которое необходимо для достижения температуры 100°С, составляет: при количестве силикагеля 31,5 г - 33,4 сек; при количестве 42,0 г - 33,8 сек; при 45,5 г - 34,9 сек. Увеличение времени происходит в связи с тем, что увеличенное количество силикагеля на начальном этапе аккумулирует большее количество воды, уменьшая тем самым то количество воды, которое может сразу вступить в реакцию с оксидом кальция.

Одновременно следует отметить, что также был проведен ряд опытов по реализации заявленного способа при увеличении количества оксида кальция с соответствующим увеличением количества воды. Так, при количестве оксида кальция 35 г количество воды изменялось: 35 г, 40 г, 45 г; при количестве оксида кальция 45 г количество воды следующее: 45 г, 50 г, 55 г. Соответственно для каждого из указанных вариантов было рассчитано необходимое количество безводного силикагеля исходя из зависимости: K₁=(0,9-1,3)K₂.

В результате реализации заявленного способа при данных количествах ингредиентов реализуется аналогичная примерам 1, 2, 3 кинетика процессов взаимодействия смеси оксида кальция и безводного силикагеля с водой, с сохранением выявленных зависимостей, при получении результатов, отражающих увеличение динамики процесса, поскольку увеличение количества ингредиентов в данном случае увеличивает продолжительность процесса и время достижения отдельных параметров.

Примеры реализации способа при использовании в качестве жидкой компоненты водного раствора перекиси водорода.

В заявленном изобретении как альтернатива использованию воды в качестве компоненты в жидком состоянии возможно применение 3-32% водного раствора перекиси водорода, в результате использования которого достигаются те же, как для воды, технические результаты при реализации некоторых дополнительных результатов.

Пример 4.

Для нагрева порционного пищевого продукта массой 150 г берут 25 г оксида кальция, 25 г 3% водного раствора перекиси водорода. Количество безводного силикагеля, рассчитанного по зависимости: К₁=(0,9-1,3)К₂, где К₂ - количество 3% водного раствора перекиси водорода (в данном примере) [г] составляет соответственно 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г.

Компоненты, находящиеся в твердом состоянии (смесь оксида кальция и безводного силикагеля) и в жидком состоянии (в данном примере 3% водного раствора перекиси водорода), находятся в изолированном друг от друга виде. При приведении в непосредственный контакт указанных компонент (с помощью средств, описанных в приведенных выше патентах) инициируется экзотермическая реакция между оксидом кальция и перекисью водорода при участии безводного силикагеля с одновременной генерацией пара.

При проведении такого процесса наблюдается некоторое увеличение по сравнению с использованием воды, количества выделившегося пара, но аналогично использованию воды происходит уменьшение его выделения с увеличением количества безводного силикагеля (22,5 г; 30,0 г; 32,5 г), а именно: 9,5 мл; 8,9 мл; 8,0 мл.

Продолжительность протекания реакции при температуре выше 100°С (при неизменных значениях оксида кальция и перекиси водорода) изменяется в зависимости от количества безводного силикагеля и составляет: при количестве силикагеля 22,5 г - 16,1 мин, при количестве силикагеля 30,0 г - 19,8 мин, при количестве силикагеля 32,5 г - 17,5 мин. Таким образом, при использовании 3% водного раствора перекиси водорода повторяется характер зависимости продолжительности протекания реакции при изменении количества силикагеля, как и при использовании воды, т.е. диапазон количества силикагеля, определенный соотношением K₁=(0,9-1,3)K₂, является наиболее оптимальным с точки зрения обеспечения поддержания не менее 15-минутной продолжительности нагрева. При уменьшении или увеличении количества силикагеля вне указанного предела наблюдается уменьшение продолжительности нагрева, и условие полного и равномерного нагрева продукта не соблюдается.

Использование водного раствора перекиси водорода с процентным содержанием перекиси менее 3% дает слабый эффект по количеству выделяемой теплоты при разложении перекиси. Так, уже в начальный период реакции «срабатывает» практически вся теплота, образуемая при разложении перекиси, одновременно с краткосрочным выбросом пара. Далее, ввиду малого количества перекиси в растворе и соответственно затухания реакции ее разложения выделенная теплота, которая могла бы быть полезно используема при нагреве реакционной смеси, уже не генерируется.

Время, которое необходимо для достижения температуры 100°С, составляет: при количестве силикагеля 22,5 г - 26,3 сек; при 30,0 г - 27,8 сек; при 32,5 г - 28,1 сек, которое, так же, как и для воды, увеличивается с увеличением количества силикагеля (при прочих постоянных параметрах). Исходя из полученных данных установлено, что использование 3% водного раствора перекиси водорода сокращает приблизительно на 3,7 сек время достижения температуры 100°С, что также может быть полезно использовано при нагреве продукта.

Вместе с тем было выявлено, что использование 3% водного раствора перекиси водорода по сравнению с использованием воды (см. Пример 1), при равных количествах жидкой компоненты, оксида кальция и силикагеля, позволяет увеличить продолжительность процесса выше 100°С приблизительно на 1,3 минуты, что также может быть положительно применимо при нагреве упаковок.

Аналогичным образом был реализован заявленный способ (при постоянном значении оксида кальция 25 г) для:

- 3% водного раствора перекиси водорода при его количествах 30 мл, 35 мл;

- 17% водного раствора перекиси водорода при его количествах 25 мл, 30 мл, 35 мл;

- 32% водного раствора перекиси водорода при его количествах 25 мл, 30 мл, 35 мл;

Так, с увеличением процентного содержания перекиси водорода в водном растворе и с увеличением количества такого раствора, по сравнению с использованием воды, уменьшается время, необходимое для достижения температуры 100°С. Это объясняется увеличением активности раствора при росте процентного содержания перекиси в нем и соответственно увеличенным его количеством для проведения реакции. Так, уже при использовании 35 мл 32% водного раствора перекиси водорода и количества силикагеля: 31,5 г; 42 г; 45,5 г по сравнению с использованием того же количества воды и силикагеля время достижения уменьшается в среднем на 6,9 сек. Таким образом, применение вместо воды водного раствора перекиси водорода в заявленном диапазоне концентраций позволяет уменьшить время, необходимое для достижения температуры 100°С, в среднем на 4-7 сек.

При использовании 35 мл 32% раствора выделяется следующее количество пара: 15,7 мл, 15,0 мл, 14,7 при количестве силикагеля: 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г соответственно. Здесь следует отметить, что в начальный период реакции происходит также мощный выброс пара, Однако ввиду увеличенной концентрации перекиси в растворе и его количества продолжающаяся реакция разложения перекиси с выделением теплоты, позволяет использовать выделяющуюся теплоту не только на нагрев воды с превращением ее в пар, но и для нагрева реакционной смеси. Одновременно образующийся при разложении перекиси кислород образует дополнительные центры парообразования.

Таким образом, варьируя количество ингредиентов для проведения данной экзотермической реакции, можно обеспечить необходимое паровыделение, которое, помимо прочего, также направлено на нагрев продукта.

Продолжительность процесса при температуре выше 100°С при использовании вместо воды такого же количества 17% водного раствора перекиси водорода в количествах - 25 г; 30 г; 35 г дает наибольшее увеличение продолжительности процесса: 20,3 мин; 23,9 мин; 21,7 мин (для 25 г раствора и 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г силикагеля соответственно), 21,3 мин; 24,8 мин; 22,1 мин (для 30 г раствора и 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г силикагеля соответственно), 21,1 мин; 24,9 мин; 22,9 мин (для 35 г раствора и 22,5 г; 30,0 г; 32,5 г силикагеля соответственно). При использовании 17% водного раствора перекиси водорода увеличивается продолжительность процесса в среднем на 5,8 минут.

При использовании 32% водного раствора перекиси водорода увеличение продолжительности процесса составляет, в среднем, порядка 1,7 минут.

Однако увеличение процентного содержания перекиси водорода в водном растворе более 32% в значительной степени активизирует и ускоряет темп протекания реакции, не обеспечивая желаемую (не менее 15 минут) продолжительность нагрева, необходимую для равномерного нагрева используемого продукта. Вместе с тем использование водного раствора перекиси водорода с более чем 32% концентрацией приводит к удорожанию способа и экономически нецелесообразно.

Таким образом, использование именно 3-32% водяного раствора перекиси водорода позволяет достичь заявленный технический результат, а также реализовать дополнительные результаты, которые могут быть положительным образом использованы.

Использование безводного силикагеля при проведении экзотермической реакции между оксидом кальция и водой/или 3-32% водным раствором перекиси водорода, в количестве, рассчитанном по представленному соотношению: K₁=(0,9-1,3)K₂, позволяет увеличить время выделения тепловой энергии более чем в два раза по сравнению с тем же показателем, полученным при отсутствии его при проведении данной реакции, т.е. повысить эффективность использования выделяемой тепловой энергии. Таким образом, увеличивается продолжительность поддержания температуры на уровне, превышающем 100°С, которая необходима для полного и равномерного нагрева пищевого продукта, как правило, порционного.

Варьируя количество ингредиентов для проведения данной экзотермической реакции, можно обеспечить необходимое паровыделение, что подтверждает заявленный технический результат - получение требуемых параметров паровыделения, которое, в том числе, позволяет повысить эффективность использования выделившейся тепловой энергии.

Промышленная применимость предложенного способа подтверждается возможностью осуществления его с использованием известных материалов и технических средств, широко используемых в самонагревающихся упаковках для различных продуктов, в том числе и пищевых.

Изобретение относится к основанным на экзотермических химических реакциях способам получения тепловой энергии и может быть использовано, в частности, для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением. Способ получения тепловой энергии включает инициирование экзотермической химической реакции между исходными компонентами. Компоненты находятся в твердом и жидком состояниях. Осуществляется подача компонент в одном агрегатном состоянии на компоненты в другом агрегатном состоянии. В качестве компонента в жидком состоянии используют воду или 3÷32% водный раствор перекиси водорода. В качестве компонент в твердом состоянии используют окись кальция и безводный силикагель в виде их смеси. Количество силикагеля определяют в соответствии с соотношением: K₁=(0,9÷1,3)K₂, где K₁ - количество силикагеля [г], К₂ - количество воды или водного раствора перекиси водорода [г]. При использовании настоящего изобретения обеспечивается упрощение технической реализации способа при одновременном повышении воспроизводимости результатов и повышении эффективности использования выделившейся тепловой энергии. 2 ил.

Способ получения тепловой энергии, включающий инициирование экзотермической химической реакции между исходными компонентами, находящимися соответственно в твердом и жидком состояниях, путем подачи компонент в одном агрегатном состоянии на компоненты в другом агрегатном состоянии, при этом в качестве компонента в жидком состоянии используют воду или 3÷32%-ный водный раствор перекиси водорода, а в качестве компонент в твердом состоянии используют окись кальция и безводный силикагель в виде их смеси, причем количество силикагеля определяют в соответствии с соотношением:
K₁=(0,9÷1,3)K₂,
где K₁ - количество силикагеля, г;
K₂ - количество воды или водного раствора перекиси водорода, г.