СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ИЗ ЭНЕРГОПЛОТНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ПРИБОРАХ И ГОРЕЛКАХ Российский патент 2019 года по МПК F23D14/12 

Изобретение относится к способам получения тепловой энергии.

Известны способы получения тепловой энергии из органических веществ в виде углеводородов посредством организации процесса горения - быстрого окисления топлива в высокотемпературной области (Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох, Е.А. Нахапетян, И.И. Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория топочных процессов М.-Л.: Энергия, 1966, с. 5) [1]. При этом способе процесс горения как цепная разветвляющаяся (самоускоряющаяся) реакция возникает после появления в горючей смеси единичных активных центров - молекул веществ со свободными валентностями - и начинает внешне проявляться только по накоплении достаточной концентрации этих центров. После этого следует возникновение фронта воспламенения или объемный взрыв (с. 6-7) [2]. Активные центры в данном случае создаются введением в готовую или образующуюся смесь зажженного факела, раскаленного тела или электрической искры. При этом теплотворная способность составляет в среднем: у мазута 40 кДж/г, углей - от 7 до 27 кДж/г, торфа - от 7 до 10 кДж/г, горючих сланцев - 10,5 кДж/г, кокса - от 26 до 29,5 кДж/г, сухих природных газов - от 23 до 41 МДж/м³, искусственных (генераторные газы из кусковых углей; водяные газы из кокса) газов - от 5,5 до 26,5 МДж/м³, бензина, керосина, дизельного топлива - 3,75 МДж/м³.

Другим возможным источником тепловой энергии является вода. Процесс получения энергии из воды может происходить, например, в кавитационных энергоустановках (патент РФ №2054604, 1996) [3]. Разрушение молекул воды в них происходит в процессе схлопывания пузырьков водяного пара. В результате энерговыделение при использовании воды в качестве источника энергии составляет в действующих установках 10-20 кДж/г.

Следующим шагом в получении энергии из различных веществ является использование природных минеральных материалов в качестве интенсификаторов массообменных процессов при горении (Патент РФ №2129461, 1999) [4]. В процессе горения топлива частицы этих материалов выступают в качестве активных центров, стимулируя процесс горения основного топлива и увеличивая полноту его сгорания.

Примером такого способа, использующим природную соль NaCl, является патент (Патент РФ №2011116) [5].

Изобретение предназначено для использования в топках для сжигания кускового твердого топлива и состоит в том, что на раскаленную поверхность твердого топлива периодически подают поваренную соль в кристаллическом виде равномерно в количестве 7 - 8 г на 1 м² зеркала горения в целях повышения качества сжигания топлива. Результат изобретения заключается в том, что при добавлении поваренной соли через 5 мин в количестве 30 г на 1 порцию топлива трудозатраты сократились на 50% за счет уменьшения вдвое расхода топлива, уменьшения объема шлака в 2,5 раза и уменьшения количества подач топлива. Выделение сажи с дымом не происходило (достигнута полнота сгорания топлива).

Недостатком данного изобретения является то, что вводимый в основное топливо материал улетучивается вместе с отходящими газами и требует постоянного возобновления.

Дальнейшим развитием данного направления является способ герметизации энергоплотного вещества природного происхождения (Патент РФ №2237216, 2004) [6] при воздействии на него тепловых потоков.

Основной задачей указанного изобретения является задача снижения расхода традиционных топлив и затрат на его транспортировку потребителям. Поставленная задача решается за счет способа получения энергии из минеральных веществ природного происхождения, при этом в одном из вариантов ионизация минерального вещества производится тепловым потоком от сгорания органического топлива непосредственного без контакта с факелом органического топлива. В качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см³.

При этом величина энергии, выделяемой в данном процессе, ограничивается верхним пределом, равным величине удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов - W_i (В.В. Зуев. Закономерная связь физических свойств минералов и других твердых кристаллических тел с их энергией сцепления атомных остовов и связующих электронов. Обогащение руд, №5, 2002, с. 42-47) [7], (В.В. Зуев и др. Закономерная связь величин, характеризующих физические свойства кристаллических твердых тел, с величинами удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов. Научное открытие. Диплом №204) [8]. При этом данная величина определяется по отношению к массе или объему конкретного вещества. Для нерудных минералов эта величина в среднем находится в пределах от 500 кДж/т (для ангидрита) до 780 кДж/г (для серпентинита и каолинита).

Технический результат данного изобретения - организация процесса энерговыделения из минеральных веществ природного происхождения, обладающих высокой энергоплотностью, при совместном применении минеральных веществ и органических топлив, дающего значительную прибавку теплотворной способности смеси за счет дополнительно получаемой энергии и повышения полноты сгорания традиционного топлива иллюстрируется следующим примером бесконтактного способа энерговыделения, когда одна порция минерального вещества может использоваться длительное время за счет циклического процесса выделения внутренней энергии и нового поглощения энергии свободных фотонов атомами минерального вещества.

Организован бесконтактный процесс горения в калориметре. Испытания проводились в паре бытовой газ - серпентинит. При разных объемах минерального вещества энерговыделение составило от 440 кДж/г до 570 кДж/г.

Недостатком данного изобретения является то, что способ бесконтактного отбора энергии из высокоэнергоплотных веществ реализован только в идеальных условиях физического прибора. При этом возможность длительного процесса не показана, а устройство для отбора энергии для реальных энергетических установок не описано.

В качестве прототипа принят способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения [6] при воздействии на него тепловых потоков.

Технический результат изобретения [6] - значительные величины выделения энергии из минерального вещества при однократном сжигании топлива в калориметре.

Однако на практике ставится задача обеспечения непрерывного получения дополнительной энергии из одной порции минерального вещества на типовых бытовых и промышленных газовых приборах и горелках.

Ни ранее рассмотренные патенты [5], ни прототип [6] не могут кардинально решить поставленную задачу.

Поставленная в основу изобретения задача решается за счет способа отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения и устройства для осуществления способа.

Способ отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, включает ионизацию минерального вещества тепловым потоком от источника тепловой энергии без непосредственного контакта вещества с источником тепловой энергии, причем теплоту, необходимую для ионизации минерального вещества, подводят через некоторую преграду путем ее разогрева источником тепловой энергии, например, металлической пластины, при этом минеральное вещество в виде порошка равномерно тонким слоем располагают на поверхности пластины, а порошок из минерального вещества дополнителбнс герметизируют.

Устройство для осуществления способа содержащее источник тепловой энергии, порошок минерального вещества природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, расположенный на металлической подложке, выполненной ввиде первой пластины, на первой стороне которой размещен тонкий слой порошка, а вторая контактирует с источником тепловой энергии, дополнительно содержит вторую металлическую пластину, расположенную над первой стороной первой пластины, при этом первая и вторая пластины по их периметру соединены между собой с возможностью образования между ними герметичного объема, внутри которого на первой пластине расположен тонкий слой порошка минерального вещества.

При этом пластины выполнены из дисков, сваренных между собой по периметру дисков с выступающей окантовкой.

Конструкция устройства иллюстрируется фигурой 1, где обозначены: верхняя пластина, герметично закрывающая равномерно распределенный слой природного минерального материала 2, лежащий на нижней пластине 3, расположенной над газовой горелкой. На устройстве показана державка 4 для крепления его, в случае необходимости, на других частях газового прибора.

Эффект от применения изобретения представлен на фигуре 2, где приведены результаты использования устройства с разными навесками минерального вещества на газовой горелке при нагреве мерного объема воды. Из рисунка видно, что при наличии минерального вещества в устройстве время нагрева мерного объема воды снижается с 30 минут до 23 минут. При этом эффект тепловыделения является продолжительным и устройство используется непрерывно.

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получать значительную дополнительную величину энерговыделения от одной порции минеральных веществ при использовании органического топлива как инициатора процесса энерговыделения, а устройство, реализующее данный способ, обеспечивает существенное сокращение расхода органического топлива при длительной работе с сохранением своих характеристик.

Изобретение относится к устройствам горелок для газообразных топлив. Устройство для отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения содержит источник тепловой энергии, порошок минерального вещества природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, расположенный на металлической подложке, выполненной в виде первой пластины, на первой стороне которой размещен тонкий слой порошка, а вторая контактирует с источником тепловой энергии, устройство дополнительно содержит вторую металлическую пластину, расположенную над первой стороной первой пластины, при этом первая и вторая пластины по их периметру соединены между собой с возможностью образования между ними герметичного объема, внутри которого на первой пластине расположен тонкий слой порошка минерального вещества. Пластины выполнены из дисков, сваренных между собой по периметру дисков с выступающей окантовкой. Изобретение позволяет обеспечить непрерывное получение дополнительной энергии из одной порции минерального вещества. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 60 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, включающий ионизацию минерального вещества тепловым потоком от источника тепловой энергии без непосредственного контакта вещества с источником тепловой энергии, а теплоту, необходимую для ионизации минерального вещества, подводят через некоторую преграду путем ее разогрева источником тепловой энергии, например, металлической пластины, при этом минеральное вещество в виде порошка равномерно тонким слоем располагают на поверхности пластины, отличающийся тем, что порошок из минерального вещества герметизируют.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее источник тепловой энергии, порошок минерального вещества природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, расположенный на металлической подложке, выполненной в виде первой пластины, на первой стороне которой размещен тонкий слой порошка, а вторая контактирует с источником тепловой энергии, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит вторую металлическую пластину, расположенную над первой стороной первой пластины, при этом первая и вторая пластины по их периметру соединены между собой с возможностью образования между ними герметичного объема, внутри которого на первой пластине расположен тонкий слой порошка минерального вещества.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что пластины выполнены из дисков, сваренных между собой по периметру дисков с выступающей окантовкой.