СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H01J45/00 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании автономных источников тепловой и электрической энергии, работа которых основана на использовании взаимодействия ионизированного водорода с нанокластерными металлическими частицами в вихревом потоке рабочего газа (инертного газа и водяного пара), когда в качестве основного поставщика ионизированного водорода используется водяной пар, прошедший зону электрического разряда, а поставщиком нанокластерных металлических частиц является эрозирующий катод в этом разряде.

Известен способ [RU 2448409, C2, H03K 3/37, 20.04.2012], заключающийся в том, что водород пропускают через разрядное устройство, содержащее, по меньшей мере, два электрода - анод и катод, расположенные последовательно по потоку водорода, на анод подают импульсное напряжение, достаточное для возникновения стримерного разряда, а с катода снимают импульсное напряжение для конвертирования и передачи потребителю, причем, импульсное напряжение подают с частотой от 35 до 45 кГц, величина импульсного напряжения, подаваемого на анод, составляет от 13 до 19 кВ, стримерный разряд поддерживают со средним током от 0,5 до 1,0 А, а водород пропускают через разрядное устройство со скоростью потока от 85 до 110 м/с и направлением от катода к аноду, а прошедший через разрядное устройство водород возвращают на вход в разрядное устройство.

Недостатком способа является относительно низкий уровень получаемой тепловой энергии, а также относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного получения и электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату является способ получения тепловой энергии [Карабут А.Б., Кучеров Я.Р., Савватимова И.Б. Выход тепла и продуктов ядерных реакций из катода тлеющего разряда в дейтерии, с.124-131. - Материалы 1 Российской конференции по холодному ядерному синтезу (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], основанный на формировании в среде водорода (дейтерия) высоковольтного электрического разряда между электродами, один из которых - катод - выполнен из гидридообразующего металла палладия при токе разряда от 5 до 25 мА, напряжении разряда 500-700 В и давлении газа 5 Торр.

Генерация тепла происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом катода с образованием гидрида палладия, что сопровождается генерацией тепловой энергии ионизации водорода (дейтерия) в плазме высоковольтного электрического разряда, возникающего между электродами. Количество генерируемого тепла (тепловая мощность), рассчитываемая по количеству выделившегося тепла, снимаемого с водоохлаждаемых электродержателей, составляет 300 Вт. Удельная тепловая мощность, отнесенная к габаритам (объему) реактора (кварцевой трубе диаметром 50 мм и длиной 500 мм), составляет 0,3 Вт/см^3.

Недостатком наиболее близкого по своей технической сущности способа к предложенному является относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии, а также относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного получения и электрической энергии.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение на способ, заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии при одновременном расширении области применения путем обеспечения возможности получения и электрической энергии.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии с одновременным расширением области применения путем обеспечения возможности получения и электрической энергии.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается, тем, что в способе, основанном на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, согласно изобретению на способ, формируют вихревой поток инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод и инжектируют в этот поток горячий водяной пар, при этом высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара, а между электродами устанавливают, по крайней мере, одну пару зондов-электродов для снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси вихревого потока, а другой - на его периферии.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками способа и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что между электродами формируют вихревой поток инертного газа и горячего водяного пара, что вызывает интенсивное образование и сепарацию ионизированного водорода и существенно более мощное (по сравнению с прототипом) образование кластерных металлических частиц (продуктов эрозии катодного электрода), излучаемых материалом, из которого изготовлен электродный катод. В результате, с помощью электрического разряда, имеющего как постоянную, так и переменную составляющие, образуется мощный поток ионизированного водорода. Это обусловливает более высокую эффективность генерации тепловой энергии относительно способа-прототипа. Вихревой поток позволяет стабилизировать электрический разряд, концентрировать на оси водород (диссоциированный из водяного пара) и разделять ионы на положительные и отрицательные для возможности снятия электрической энергии с помощью пар зондов-электродов.

Известны также устройства для получения тепловой энергии.

В частности, известен генератор высокого напряжения [RU 2155443, C2, H03K 3/537, 27.08.2000], содержащий генератор Маркса, имеющий n каскадов, каждый из которых включает в себя переключатель в виде искрового промежутка, а также источник зарядки, соединенный с первым каскадом генератора Маркса, а также устройство, предназначенное для периодической задержки действия источника зарядки накопительных емкостей, при этом ширина искрового промежутка в переключателе первого каскада меньше, чем у остальных переключателей, а сами переключатели в виде искрового промежутка помещены в цельную разрядную трубку, наполненную газообразным водородом под давлением, источник питания заряжает накопительные конденсаторы, а генератор для периодической задержки действия источника зарядки управляется с помощью устройства, чувствительного к разрядке генератора Маркса.

Недостатком устройства является относительно низкий уровень возникающей в процессе работы устройства получаемой тепловой энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [Карабут А.Б., Кучеров Я.Р., Савватимова И.Б. Выход тепла и продуктов ядерных реакций из катода тлеющего разряда в дейтерии, с.124-131. - Материалы 1 Российской конференции по холодному ядерному синтезу (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], содержащее заполненную водородом кварцевую трубу диаметром 50 мм и длиной 500 мм, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор высокой частоты и которые снабжены водоохлаждаемыми электродержателями, при этом электродный катод выполнен из гидридообразующего металла палладия.

Генерация тепла происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом катода с образованием гидрида палладия, что сопровождается генерацией тепловой энергии рекомбинации ионизованного водорода (дейтерия) в плазме высоковольтного электрического разряда, возникающего между электродами. Образующееся тепло снимается с водоохлаждаемых электродержателей. Количество генерируемого тепла (тепловая мощность) составляет 300 Вт. Удельная тепловая мощность, отнесенная к объему устройства, составляет 0,3 Вт/см³.

Недостатком наиболее близкого по своей технической сущности устройства является относительно низкая эффективность получения тепловой энергии и относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что отсутствует возможность одновременного получения и электрической энергии.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение на устройство, заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии и обеспечении возможности одновременного получения и электрической энергии.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии и возможности одновременного получения и электрической энергии.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее кварцевую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор электрической энергии, при этом электродный катод выполнен из гидридообразующего металла, согласно изобретению на устройство введен формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками устройства и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что введенные технические средства (формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие), позволяющие с помощью электрического разряда, образовать мощный поток ионизированного водорода. Это обусловливает более высокую эффективность генерации тепловой энергии относительно устройства-прототипа, а также возможность получения электрической энергии. Вихревой поток помогает разделить тяжелые и легкие ионы и электроны и сконцентрировать поток водорода на оси вихря, где установлены анодный и катодный электроды реактора. Тем самым, обеспечивается режим оптимального взаимодействия потока легких ионов водорода и эрозионных наночастиц, вылетающих из материала катодного электрода. Наряду с этим ввод пары зондов-электродов обеспечивает снятие электрического потенциала в разных точках вихревого потока (на оси между анодным электродом и катодным электродом и на периферии вихревого потока).

На чертеже представлен пример выполнения устройства для получения тепловой и электрической энергии.

На чертеже обозначены: 1 - кварцевая труба, например, диаметром 50 мм и длиной 500 мм, 2 - формирователь вихревого потока инертного газа, 3 - электродный анод, выполненный в виде инжектора водяного пара, 4 - электродный катод в виде сопла с отверстием для выпуска горячего газа, 5 - генератор электрической энергии, пара 6 зондов-электродов.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии в кварцевой трубе 1, выполненной, например, с диаметром 50 мм и длиной 500 мм, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3 и электродный катод 4, к которым подключен генератор 5 электрической энергии. Генератор 5 электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, может быть выполнен, например, в виде генератора ВЧ с источником постоянного тока (6 кВ, 2,5 А) с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие.

Кроме того, в устройстве для получения тепловой и электрической энергии электродный катод 4 выполнен из гидридообразующего металла, формирователь 2 вихревого потока инертного газа установлен на входном конце кварцевой трубы 1 и выполнен с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом 3 и катодным электродом 4 в направлении на катодный электрод 4, пары 6 зондов-электродов могут быть выполнены в виде стандартных электродов с возможностью снятия электрической энергии. Для максимально эффективного снятия электрической энергии используют пару зондов-электродов, один из которых размещают на оси вихревого потока между анодным электродом 3 и катодным электродом 4, а другой - на периферии вихревого потока.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии электродный анод 3 выполнен в виде инжектора водяного пара и подключен, например, к генератору 7 водяного пара, электродный катод 4 выполнен в виде сопла 8 с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор 5 высокой частоты, подключенный к электродному аноду 3 и электродному катоду 4, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Такое выполнение генератора 5 позволяет создать неравновесный импульсно-периодический электрический разряд между электродными анодом 3 и катодом 4, что обеспечивает эффективное создание наноразмерных эрозионных металлических частиц (материала эрозии катодного электрода 4).

Устройство для реализации предложенного способа получения тепловой и электрической энергии работает следующим образом.

В частном примере выполнения устройства кварцевая труба 1 имеет диаметр 50 мм и длину 500 мм, анодный электрод 3 выполнен из молибденового сплава на стальной шпильке, катодный электрод 4 выполнен в виде запорного конуса - сопла с отверстием для выпуска горячего газа, а генератор электрической энергии выполнен с источником питания 6 кВ, 2,5 А.

Молекулы водяного пара диссоциируются и ионизируются в плазме, созданной высоковольтным комбинированным электрическим разрядом между анодным 3 и катодным 4 электродами благодаря подключению к ним генератора 5 электрической энергии. Вихревой поток разделяет ионы по массе. Поэтому на оси вихря концентрируется ионизированный поток водорода. Электрический разряд используется также для создания наноразмерных эрозионных металлических частиц (материал эрозии катодного электрода 4). В рабочей камере реактора (в кварцевой трубе 1) происходит эффективное взаимодействие этих нанокластеров и потока ионизированного водорода. Это вызывает получение гидридов металлов, в которых могут происходить низкоэнергетические ядерные реакции. На выходе получается сильно разогретый гетерогенный плазменный поток с высокой проводимостью (Т_п~3000-4000 К). Именно такой горячий поток используется для получения тепла горячего газа в реакторе и электрической энергии с помощью пар зондов-электродов, один из которых устанавливают на периферии вихревого потока, а другой на его оси.

Проведенные исследования на экспериментальной установке позволяют произвести сопоставление результатов применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства.

Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ, выходная тепловая мощность достигала 300 Вт, что соответствует удельной тепловой мощности (мощности, отнесенной к габаритам (объему) реактора (кварцевой трубе диаметром 50 мм и длиной 500 мм)) 0,3 Вт/см³.

На предложенной авторами экспериментальной установке достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре реактора 50 мм и длине 500 мм) 5,1 Вт/см³. Одновременно с получением тепловой энергии с помощью зондов-электродов отводится электрическая энергия до 400 Вт (с напряжением до 4 кВ и током до 0,1 А).

Таким образом, предложенный способ и устройство получения тепловой и электрической энергии существенно увеличивает количество получаемой тепловой энергии по сравнению с прототипом, а также обеспечивает получение электрической энергии.

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии. В заявленном способе предусмотрено формирование высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным (3) электродом и катодным (4) электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вихревого потока инертного газа вдоль оси между электродами и инжекция в этот поток горячего водяного пара. Высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения. Между электродами устанавливают зонды-электроды (6) для снятия электрической энергии. Заявленное устройство содержит кварцевую трубу (1), электродный анод и катод, выполненный из гидридообразующего металла, формирователь вихревого потока инертного газа (2), а также, по крайней мере, одну пару зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии. Электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла (8) с отверстием для выпуска горячего пара. Генератор электрической энергии (5) выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Техническим результатом является повышение интенсивности процесса одновременной генерации тепловой и электрической энергии. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения тепловой и электрической энергии, основанный на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, отличающийся тем, что формируют вихревой поток инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод и инжектируют в этот поток горячий водяной пар, при этом высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара, а между электродами устанавливают, по крайней мере, одну пару зондов-электродов для снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси вихревого потока, а другой - на его периферии.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее кварцевую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор электрической энергии, при этом электродный катод выполнен из гидридообразующего металла, отличающееся тем, что введен формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие.