Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации Российский патент 2020 года по МПК F24V30/00 H02N3/00 H05H1/48 

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 нано-кластерными металлическими частицами в вихревом потоке рабочего газа (водяного пара), когда в качестве основного поставщика атомарного и ионизированного водорода используется сам водяной пар, прошедший зону электрического разряда, поставщиком нано-кластерных металлических частиц является эрозирующий катод в этом разряде, поставщиком свободного водорода, очищенного от водяного пара и кислорода является вихревой сепаратор с водяным затвором.

Известен способ [RU 2448409, С2, 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 невозможность одновременного получения водорода.

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 гидридо-образующего 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 (металлических нанокластеров), создаваемых 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 водо-охлаждаемых электро-держателей, составляет 300 Вт. Удельная тепловая мощность, отнесенная к габаритам (объему) реактора (кварцевой трубе диаметром 50 мм и длиной 500 мм), составляет 0,3 Вт/см³

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.

Известны также устройства для получения тепловой энергии.

В частности, известен генератор высокого напряжения [RU 2554512, С2, H03K 3/537, 27.08.2012], содержащий вихревой плазменный генератор, имеющий разрядный промежуток, вихревой генератор, а также источник питания, для создания разряда постоянного тока.

Недостатком устройства является относительно низкий уровень получаемой тепловой энергии и отсутствие устройства для получения дешевого водорода.

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии при одновременном возможности получения дешевого водорода.

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

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 гидридо-образующего металла, согласно изобретению на способ, формируется вихревой поток водяного пара вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, при этом высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируется путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего силовые токовые импульсы и поджигающие высоковольтные импульсы, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара и водорода, а между электродами устанавливают, по крайней мере, одну пару пассивных электродов-обострителей для увеличения длины плазменной зоны и оптимизации ее параметров.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками способа и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что между электродами формируют вихревой поток 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 комбинированного электрического разряда, имеющего как силовые импульсы, так и поджигающие высоковольтные короткие импульсы, 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 обеспечить тепловую защиту элементов конструкции предлагаемого устройства.

Также поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее керамическую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод, пассивные электроды и электродный катод, к которым подключен источник питания электрической энергии, при этом электродный катод выполнен из гидридо-образующего металла, согласно изобретению на устройство введен формирователь вихревого потока водяного пара, установленный на входном конце керамической трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока водяного пара вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, на выходе устройства располагается вихревой сепаратор с водяным затвором для разделения чистого водорода от водяного пара и кислорода, при этом, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара и водорода, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования импульсно-периодического напряжения, включающего силовую токовую и высоковольтную составляющие.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками устройства и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что введенные технические средства (формирователь вихревого потока водяного пара, установленный на входном конце керамической трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока водяного пара вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, при этом электродный анод выполнен в виде конуса из тугоплавкого материала, пассивные оживальные охлаждаемые электроды выполнены из тугоплавкого материала вольфрама, 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 импульсно-периодического напряжения, включающего силовую токовую и высоковольтную составляющие, позволяющие с помощью электрического импульсно-периодического разряда, образовать мощный поток атомарного и ионизированного водорода. Это обусловливает более высокую эффективность генерации тепловой энергии относительно устройства-прототипа, а также возможность получения свободного дешевого водорода. 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 нано- кластеров, вылетающих из материала катодного электрода. Наряду с этим, высокая температура в разрядной области (порядка 3000-4000 К) способствует эффективной диссоциации водяного пара. Пассивные электроды помогают значительно увеличить длину плазменной разрядной области, что способствует нагреву плазмы и увеличивает степень диссоциации водяного пара. На чертеже представлен пример выполнения устройства для получения тепловой энергии и водорода.

Способ работы устройства характеризуется чертежом.

На чертеже обозначены: 1 - керамическая труба, например, диаметром 60 мм и длиной 500 мм, 2 - формирователь вихревого потока водяного пара, 3 - конический электродный анод, 4 - ВЧ генератор Теслы, 5 - источник постоянного напряжения с RC - релаксационным модулятором, 6 - пассивные электроды для обострения электрического поля, 7 - электродный катод в виде сопла с отверстием для выпуска горячего газа, 8 - водяной затвор, 9 - газгольдер для водорода, 10 - вихревой сепаратор для тяжелого кислорода и водорода, 11 - паровой генератор.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии в кварцевой трубе 1, выполненной, например, с диаметром 60 мм и длиной 500 мм, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3, пассивные электроды-обострители 6, электродный катод 7, к которым подключен генератор-модулятор 5 электрической энергии для создания силового импульсно-периодического разряда и одновременно ВЧ генератор Теслы 4. Генераторы 4, 5 электрической энергии, подключенные к электродному аноду 3 и электродному катоду 7, могут быть выполнены, например, в виде генератора-модулятора, запитываемого от источника постоянного тока (8 кВ, 2 А) с возможностью формирования силовых импульсов до 10 А, длительностью до 10-30 мкс и частотой до 30 кГц, смешанные поджигающими импульсами с амплитудой до 60 кВ и длительностью 1-2 мкс.

Кроме того, в устройстве для получения тепловой энергии и водорода электродный катод 7 выполнен из гидридо-образующего металла, формирователь 2 вихревого потока водяного пара установлен на входном конце керамической трубы 1 и выполнен с возможностью формирования вихревого потока водяного пара вдоль оси между анодным электродом 3 и катодным электродом 7 в направлении на катодный электрод 7, пара пассивных охлаждаемых электродов 6 для увеличения длины плазменного разрядного промежутка и оптимизации параметров гетерогенной плазмы. Для сепарации водорода от водяных паров применяется водяной затвор 8, способный их конденсировать. Для дальнейшего разделения водорода от кислорода используется вихревой сепаратор 10 и газгольдер 9.

В устройстве для получения тепловой и водорода создается вихревой поток водяного пара с помощью завихрителя 2 и парового генератора 11, конический анод 3, выполненный из тугоплавкого материала, и 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 разряда, включающего силовые импульсы тока и высоковольтные поджигающие импульсы. Такое выполнение генераторов 4 и 5 позволяет создать неравновесный импульсно-периодический электрический разряд между электродными анодом 3 и катодом 4, что обеспечивает эффективное создание нано-размерных эрозионных металлических частиц (материала эрозии катодного электрода 4). Устройство для реализации предложенного способа получения тепловой и водорода работает следующим образом.

В частном примере выполнения устройства керамическая труба 1 имеет диаметр 50 мм и длину 500 мм, анодный электрод 3 выполнен из вольфрама диаметром 6 мм на стальной шпильке, катодный электрод 4 выполнен в виде запорного конуса - сопла с отверстием для выпуска горячего газа и перегретого водяного пара, а генератор электрической энергии выполнен на основе совместного использования источника питания постоянного тока 5 постоянного тока 8 кВ, 2 А, релаксационного модулятора R=3 кОм, С=20000 pF, способного получать силовые импульсы с амплитудой 10 А длительностью до 10-30 мкс и частотой до 30 кГц, ВЧ генератора Теслы 4 для формирования коротких высоковольтных импульсов с амплитудой 60 кВ и длительностью 1-2 мкс.

Молекулы водяного пара диссоциируются и ионизируются в плазме, созданной высоковольтным комбинированным электрическим разрядом между анодным 3 и катодным 7 электродами благодаря подключению к ним генераторов 4 и 5 электрической энергии. Вихревой поток разделяет ионы по массе. Поэтому на оси вихря концентрируется ионизированный поток водорода. Электрический разряд используется также для создания нано-размерных эрозионных металлических частиц (материал эрозии катодного электрода 7). В рабочей камере реактора, расположенного 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 дешевого водорода.

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) 10 Вт/см³. Одновременно с получением тепловой энергии с помощью газгольдера-сепаратора нарабатывается водород до 0.1 Г/с.

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

Изобретение относится к электроэнергетике и водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии. В способе предусмотрено формирование высоковольтного импульсно-периодического электрического разряда между установленными последовательно электродами: анодным (3) электродом, пассивными (6) электродами - обострителями электрического поля и катодным (7) электродом, выполненным из гидридо-образующего металла, формирование вихревого потока водяного пара (2, 7) вдоль оси между электродами, наличие теплообменника (8), наличие газгольдера-сепаратора (9, 10) для разделения и хранения водорода. Устройство содержит керамическую трубу (1), электродный анод (3), пассивные электроды (6) и катод (7), выполненный из гидридо-образующего металла, формирователь вихревого потока водяного пара (2, 7), а также водяной теплообменник-затвор (8) и сепаратор-газгольдер (9, 10) для хранения водорода. Конический электродный анод (3) выполнен из тугоплавкого материала (например, из вольфрама или молибдена). Электродный катод выполнен в виде сопла (7) с отверстием для выпуска горячего пара и водорода. Пассивные электроды - обострители (6) выполнены в виде охлаждаемых оживальных тел из тугоплавкого материала (например, вольфрам). Генератор электрической энергии (4, 5) выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего силовые импульсы тока и высоковольтные поджигающие импульсы. Технический результат - повышение интенсивности процесса одновременной генерации тепловой энергии и наработки дешевого водорода. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения тепловой энергии и дешевого водорода, основанный на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом, пассивными электродами и катодным электродом, выполненным из гидридо-образующего металла, отличающийся тем, что формируют вихревой поток водяного пара вдоль оси между анодным электродом, пассивными электродами и катодным электродом в направлении на катодный электрод и инжектируют в этот разрядный промежуток горячий водяной пар, при этом высоковольтный электрический разряд между анодным, пассивными и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего силовую токовую и высоковольтную составляющие, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара и водорода, а между электродами устанавливают по крайней мере одну пару пассивных электродов-обострителей для удлинения разрядной области, разделение водорода и водяного пара реализуется с помощью водяного затвора и газгольдера- сепаратора.

2. Устройство для реализации способа, содержащее керамическую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод, пассивные электроды-обострители и электродный катод, к которым подключен генератор электрической энергии, при этом электродный катод выполнен из гидридо-образующего металла, отличающееся тем, что введен формирователь вихревого потока водяного пара, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока водяного пара вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также по крайней мере пара пассивных электродов-обострителей, выполненных с целью увеличения плазменной разрядной области, при этом 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 силовую токовую и высоковольтную составляющие.