Способ получения тепловой и электрической энергии, водорода и устройство для его реализации Российский патент 2022 года по МПК F24V30/00 H02N3/00 

Изобретение относится к электроэнергетике, водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии и попутно для извлечения водорода и электрической энергии. Для Российской Федерации с огромной территорией, суровым климатом и вечной мерзлотой обладание эффективным источником тепловой энергии может сыграть ключевую роль для опережающего развития, особенно северных регионов.

Известны способ и устройство диссоциации воды и сопутствующего получения водорода и кислорода [RU 2436729, С2, С01B 13/02, C01B 3/02, C25B 1/02, 20.12.2011], заключающиеся в том, что водяной пар пропускают через плазменный генератор, где при температуре порядка 9000°С происходит его диссоциация на элементарный водород и кислород с поглощением тепловой энергии. Устройство состоит из одного катода и одного или более анодов высоковольтного источника питания. При пропускании между анодом и катодом электрического тока и подаче плазмообразующего газа образуется плазменный столб, в который подают водяной пар, молекулы воды диссоциируют под воздействием тепловой энергии плазмы. Авторы обнаружили значительное выделение тепловой энергии в плазмохимическом реакторе, превышающее расчетное при протекании обычных плазмохимических реакций.

Недостатками способа являются относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии и невозможность одновременного извлечения электрической энергии.

Известны способ и устройство для 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 конференции (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], основанные 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 здесь происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (кластеров металлических наночастиц). Авторы также обнаружили значительное выделение тепловой энергии в плазмохимическом реакторе, превышающее расчетное.

Недостатками способа и устройства являются относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии и относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного извлечения водорода и электрической энергии.

Известны также очень сходные между собой способы и устройства для получения водорода, тепловой и электрической энергии [RU 2554512, С1, Н01J 45/00 27.06.2015] и [RU 2738744, С1, F24V 30/00, H02N 3/00, H05H 1/48, 16.12.2020], основанные на использовании плазмохимических реакций, протекающих в плазменном реакторе при взаимодействии протонов с эрозионными металлическими частицами, получаемых в результате ионизации пара воды и электрической эрозии катода при подаче высоковольтного импульсного напряжения. В этих реакциях выделяется значительная тепловая энергия, более чем на 2 порядка превышающая тепловую энергию при химических экзотермических реакциях [Y. Iwamura et al., “Anomalous Heat Effects Induced by Metal Nano-composites and Hydrogen Gas”, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 29, 119-128, 2019]. В связи с этим это направление открывает новые перспективы для создания дешевых и безопасных источников энергии.

На экспериментальном устройстве по патенту RU 2554512 достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре реактора 50 мм и длине 500 мм) 5,1 Вт/см³ и снималась электрическая энергия до 400 Вт с помощью зондов-электродов. А на устройстве по патенту RU2738744 была достигнута удельная тепловая мощность 10 Вт/см³ и одновременно нарабатывался водород до 0,1 Г/с.

Последнее техническое решение является наиболее близким по технической сущности и получаемому результату и поэтому выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства.

Способ получения тепловой и электрической энергии и водорода RU 2738744 включает формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отбор тепловой энергии через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода.

Недостатками способа являются относительно низкая генерация тепловой энергии, недостаточный выход водорода, невозможность одновременного извлечения электроэнергии.

Устройство для реализации этого способа RU 2738744 содержит теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом из гидридообразующего металла, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок, соединенный с водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода.

Недостатками устройства являются относительно низкая генерация тепловой энергии, недостаточный выход водорода, невозможность одновременного извлечения электроэнергии и повышенные габариты плазмохимического реактора.

Технический результат предлагаемого способа состоит в расширении области применения, повышении эффективности генерации тепловой энергии и увеличении выхода водорода.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отбор тепловой энергии через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода, согласно изобретению, плазменный реактор настраивают на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ.

Кроме того, при установившемся режиме работы плазменного реактора после его настройки снижают подачу инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным.

Кроме того, формируют вихревой поток в комбинации с отраженным вихревым потоком.

А также в плазменный реактор вводят в качестве реагента мелкие частицы воды.

Кроме того, в плазменный реактор вводят в качестве реагента суспензию мелких частиц гидридообразующего металла, взвешенных в воде.

Кроме того, извлекают электроэнергию путем установки МГД-генератора на выходе ионизированной плазмы из зоны электрического разряда реактора.

Настройка плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100 позволяет перевести плазму в энергетическое состояние, которое характеризуется сильным энергетическим возбуждением атомов. При этом возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. При этом величина энергосодержания составляет 100 – 10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1 – 10 эВ/атом. Важную роль в генерации тепловой энергии играет ионизированный водород - протоны высоких энергий (более 100 эВ) и частицы гидридообразующего металла, появившиеся в плазме в результате электрической эрозии катода или при впрыскивании реагента. Под воздействием сильного, импульсного и неоднородного локального электрического поля между заряженными эрозионными частицами происходит глубинное проникновение протонов внутрь атомов частиц, их дальнейшая экранировка и транспортировка вплоть до ядер путем туннелирования через кулоновский барьер. При этом выделяется значительная тепловая энергия, на 2 порядка превышающая тепловую энергию при типичных химических реакциях. Кроме того, плазмохимические реакции сопровождаются мягким рентгеновским излучением от 1 до 10 кэВ [Климов А.И., Белов Н.К., Толкунов Б.Н. Измерение потоков нейтронов, мягкого рентгеновского излучения в гетерогенной нанокластерной плазме. М., ДеЛибри, 2020, сс. 29-36]. Авторы изобретения обнаружили, что величина этого излучения зависит как от материала частиц гидридообразующего металла, так и интенсивности плазмохимических реакций, причем чем интенсивнее идут эти реакции, тем выше рентгеновское излучение вблизи от катода. Это открыло возможность создания нового метода настройки реактора на режим путем изменения параметров импульсов по рентгеновскому излучению и позволило значительно повысить выделяемую тепловую энергию, а соответственно, и эффективность генерации тепловой энергии.

Уменьшение подачи инертного газа в установившемся режиме после настройки плазменного реактора по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным, позволяет убрать излишки инертного газа, а соответственно, уменьшить затраты на генерацию тепла, электроэнергии и водорода.

Формирование вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком позволяет снизить осевую составляющую скорости в вихревом потоке и увеличить тангенциальную составляющую. И тем самым, благодаря эффекту Ранка-Хирша, усилить сепарацию газовых потоков и направить практически весь образовавшийся водород в зону плазмохимического взаимодействия с нанокластерными частицами гидридообразующего металла и, соответственно, увеличить выход тепловой энергии при прочих равных условиях. Кроме того, применение комбинации вихревого потока с отраженным позволяет увеличить время нахождения реагента в области плазменного потока вследствие снижения осевой составляющей потока, а соответственно, повысить генерируемую тепловую энергию, благодаря более полному использованию реагентов в процессе плазмохимических реакций, или уменьшить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора, примерно в 2 раза.

Использование в качестве реагента мелких частиц воды исключает затраты на приготовление пара, а соответственно, уменьшает затраты на генерацию тепла, электроэнергии и водорода.

Применение в качестве реагента суспензии мелких частиц гидридообразующего металла в воде уменьшает эрозию катодного электрода и тем самым увеличивает непрерывную работу плазменного реактора и уменьшает его простои, связанные заменой катодного электрода. Это, в свою очередь, удешевляет обслуживание реактора и повышает эффективность его работы.

Извлекают электроэнергию с помощью МГД-генератора, поскольку его КПД почти вдвое превышает КПД теплового преобразования энергии в электрическую. Это объясняется тем, что в МГД-генераторе отсутствуют потери на трение, поскольку он не имеет подвижных узлов. МГД-генератор преобразует тепловую энергию движущейся ионизированной плазмы в электрическую. Поэтому его устанавливают на выходе плазмы из зоны электрического разряда плазменного реактора, где наблюдаются высокие температура и скорость потока заряженных частиц плазмы. При этом часть тепловой энергии, выделяемой в плазменном реакторе, преобразуется в электрическую энергию, что расширяет область применения технического решения.

Устройство для реализации способа, содержащее теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом из гидридообразующего металла, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок, соединенный с водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода, согласно изобретению, на внешней оболочке трубы ближе к катоду установлен детектор рентгеновского излучения, а генератор комбинированного напряжения с непрерывной токовой и импульсной составляющими имеет возможность изменения напряжения, частоты и скважности импульсов.

Кроме того, на выходном конце трубы установлена съемная герметичная крышка из диэлектрического жаропрочного материала, так что формирование вихревого потока производится в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки, при этом выходной патрубок установлен на внешней оболочке входного конца трубы, а теплообменник, предназначенный для съема тепловой энергии, размещен на внешней оболочке трубы между анодом и выходным патрубком.

А также плазменный реактор снабжен узлом подготовки реагентов, соединенным с узлом подачи реагента.

Кроме того, плазменный реактор снабжен МГД-генератором для извлечения электроэнергии.

А также МГД-генератор размещен между анодом и теплообменником.

Установка на внешней оболочке трубы ближе к катоду детектора рентгеновского излучения и возможность изменять выходные параметры импульсного комбинированного напряжения – величину напряжения, частоту и скважность, позволяют настроить плазменный реактор на режим протекания плазмохимических реакций, соответствующий рентгеновскому излучению в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Причем при увеличении величины скважности импульсной составляющей уменьшается средняя электрическая мощность, затраченная на нагрев реагентов, что позволяет дополнительно повысить эффективность генерации тепловой энергии.

Установка крышки из диэлектрического жаропрочного материала на выходном конце трубы и выходного патрубка на внешней оболочке входного конца трубы создает условия для формирования вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки. А размещение теплообменника на внешней оболочке трубы между анодом и выходным патрубком обеспечивает съем тепловой энергии с наиболее нагретой части плазменного реактора.

Узел подготовки реагентов, соединенный с узлом подачи реагента, позволяет приготовить реагент в виде водной суспензии мелких частиц гидридообразующего металла в воде для подачи в плазменный реактор.

Установка МГД-генератора позволяет извлекать электроэнергию с высоким КПД и расширяет область применения технического решения.

Размещение МГД-генератора между анодом и теплообменником в области с наибольшими температурой, скоростью и ионизацией плазменного потока создает наилучшие условия для генерации электроэнергии.

На Фиг. 1 представлена схема наиболее предпочтительного устройства для реализации предполагаемого способа получения тепловой и электрической энергии и дешевого водорода.

На схеме введены следующие обзначения:1 – диэлектрическая труба; 2 – формирователь вихревого потока; 3 – анодный электрод; 4 – задающий импульсный генератор высоковольтного поджига; 5а – высоковольтный источник постоянного тока; 5б – высоковольтный источник импульсного напряжения с регулированием напряжения, частоты и скважности; 6 – электроды-обострители; 7 – катодный электрод; 8 – теплообменник; 9 – водяной затвор; 10 – газовый сепаратор; 11 – узел подготовки реагентов; 12 – узел подачи реагентов; 13 – датчик расхода реагентов; 14 – датчик температуры реагентов на входе; 15 – датчик температуры теплоносителя на входе; 16 – датчик расхода теплоносителя; 17 – датчик температуры теплоносителя на выходе; 18 – датчик расхода инертного газа; 19 – датчик температуры инертного газа; 20 – МГД-генератор; 21 – детектор рентгеновского излучения; 22 – датчик температуры реагентов; 23 – герметичная крышка; 24 – бойлер; 25 – источник инертного газа; 26 – выходной патрубок; 27 – накопитель водорода; С₁, L₁ – фильтр низких частот для защиты от высокочастотных импульсных помех; С₂, L₂ – режекторный фильтр для блокирования высокочастотных помех; L₃ – катушка высоковольтного поджига; L₄ – возбуждающая катушка.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии и водорода в диэлектрической трубе 1, выполненной из жаропрочного материала, например из кварца, керамики или композитных материалов, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3, пассивные электроды-обострители 6, электродный катод 7, к которым подключен задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, высоковольтный источник постоянного тока 5а; высоковольтный источник импульсного напряжения 5б с регулированием напряжения, частоты и скважности. Электроды 3 и 6 выполнены из тугоплавкого электропроводного материала (никеля, титана, молибдена и др.), а электрод 7 – из гидридообразующего металла (алюминия, лития, стронция и др.). Задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, предназначенный для запуска процесса образования плазмы, имеет возможность выдавать высоковольтные импульсы от 30 кВ до 60 кВ длительностью до 20 мкс с частотой от 20 кГц до 2500 кГц. Высоковольтный источник постоянного тока 5а на выходе имеет напряжение до 6 кВ и предназначен для поддержания рабочего напряжения и тока, необходимого для стабильного горения плазмы в реакторе. Высоковольтный источник импульсного напряжения 5б выдает высоковольтные импульсы до 10 кВ с регулированием амплитуды, частоты и скважности и предназначен для настройки плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций. Для осуществления контроля плазмохимических реакций на внешней оболочке трубы 1 ближе к катоду 7 установлен детектор рентгеновского излучения с диапазоном измеряемых величин от 1 до 10 кэВ. Инертный газ 25 (аргон, гелий, неон и др.) поступает в формирователь 2 вихревого потока, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами по направлению к катоду 7. Вихревой поток обжимает плазму и не дает ей контактировать со стенками трубы, помогает разделить тяжелые ионы и легкие электроны и водород, концентрируя последние вдоль оси вихря и обеспечивая оптимальный режим их взаимодействия с металлическими частицами реагента. Герметичная крышка 23 из диэлектрического жаропрочного материала (кварц, керамика, композитные материалы и др.) создает условия для формирования вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки. Для съема тепловой энергии установлен теплообменник 8 в зоне с наиболее нагретой части плазменного реактора на внешней оболочке трубы 1 между анодом 3 и выходным патрубком 26. Теплообменник 8 соединен с бойлером 24. На входе трубы плазменного реактора установлен узел подачи реагента 12, связанный трубопроводом с узлом подготовки реагентов 11, в котором с помощью ультразвукового диспергатора готовят водную суспензию мелкодисперсных частиц и подают по трубопроводу в узел подачи 12. Узел подачи реагента 12 выполнен в виде форсунки высокого давления, с помощью которой реагент впрыскивается в плазменный реактор. К выходному патрубку 26, соединенному отверстием с внутренним объемом плазменного реактора, подсоединен через трубопровод водяной затвор 9, в котором происходит разделение твердых и газообразных продуктов реакции. При этом твердые частицы оседают, а газообразные подаются в газовый сепаратор 10, где водород отделяется и поступает в накопитель 27, а остальной газ идет на очистку и выбрасывается в атмосферу. Датчики расхода и температуры 12 – 19 реагента, теплоносителя и инертного газа установлены в соответствующих местах. На внешней оболочке трубы 1 между анодом 3 и теплообменником 8 в области с наибольшими температурой, скоростью и ионизацией плазменного потока размещен МГД-генератор 20 для извлечения электроэнергии.

Рассмотрим работу устройства на частном примере, где труба 1 выполнена из кварцевого стекла и имеет следующие размеры: длина 250 мм, внутренний диаметр 50 мм. Катод 7 выполнен из алюминия, расстояние между электродами 3 и 7 составляет около 50 мм. Из узла подготовки реагентов 11 подается реагент (например, вода) в узел подачи реагентов 12, где с помощью форсунки высокого давления впрыскивается в виде водяного тумана внутрь трубы 1 вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7. Одновременно подается инертный газ 25 в формирователь вихревого потока 2, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7, увлекая и перемешивая реагент с инертным газом. Отражаясь от диэлектрической крышки 23, обратный вихревой поток инертного газа и частиц реагента накладывается на прямой поток и выходит через выходной патрубок 26.

Подается напряжение от высоковольтного источника постоянного тока 5а на электроды 3 и 7 и постепенно увеличивается до рабочего (1-2 кВ). При этом внутри диэлектрической трубы создаётся электрическое поле между анодным 3 и катодным 7 электродами. Включается высоковольтный источник импульсного напряжения 5б и доводятся параметры импульса до рабочих значений: амплитуда в диапазоне 1-10 кВ, частота в диапазоне 1-100 КГц, и скважность в диапазоне 2-100. Включается задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4, обеспечивая подачу поджигающего высоковольтного импульса 30-60 кВ через катушку L3 на анодный электрод 3. При этом внутри диэлектрической трубы 1 происходит электрический пробой между электродами 3 и 7, который стимулирует образование плазменного канала между указанными электродами. Установленные внутри диэлектрической трубы 1 электроды-обострители 6 облегчают процесс электрического пробоя. После образования плазменного потока задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4 отключается и переходит в пассивный режим.

После образования плазменного потока внутри трубы 1 система прогревается и выходит на режим устойчивой работы, который характеризуется стабильностью горения плазмы, стабильностью параметров тока между электродами 3 и 7 в диапазоне 1-5А и установившимися значениями температуры на выходном патрубке 26.

Рассмотрим химические процессы, происходящие внутри плазменного потока при применении катода из алюминия и впрыскивании в качестве реагента мелкодисперсных капель воды. При высокой локальной температуре в плазменном канале 3000-4000°С и сильной ионизации под воздействием электрического поля нанокластерные частицы алюминия, образовавшиеся в результате эрозии катода, вступают в химическую реакцию с водой:

2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂ + Q ,

где Q = 15 Дж/мг - удельная теплота, выделившаяся в результате экзотермической реакции в расчете на 1 мг алюминия. Кроме того, в этих условиях происходит диссоциация воды:

2H₂O ↔ 2H₂ + O₂ - Q,

где Q = 228,6 кДж/моль - удельная теплота, затраченная на эндотермическую реакцию в расчете на 1 моль.

Однако авторы при испытаниях экспериментального образца предлагаемого технического решения обнаружили режим более высокого выделения тепловой энергии, превышающей расчетное значение при протекании обычных плазмохимических реакций, приведенных выше. При этом этот режим сопровождался мягким рентгеновским излучением от 1 до 10 кэВ, причем чем выше выделение тепловой энергии, тем больше рентгеновское излучение.

В этой связи было предложено ввести настройку на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было максимальным в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Настройка плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций позволяет перевести плазму в такое энергетическое состояние, которое характеризуется сильным энергетическим возбуждением атомов. Причем возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. При этом величина энергосодержания составляет 100-10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1-10 эВ/атом. При этом интенсифицируются плазмохимические реакции, сопровождающиеся высоким выделением тепловой энергии и приводящие к разогреву плазмы до температур 4000-5000°С. А повышение температуры в плазме, в свою очередь, увеличивает концентрацию протонов и эрозию частиц гидридообразующего металла из катода и, как следствие, тепловыделение. Никакие химические связи не могут быть устойчивыми и разрушаются до атомов под действием такого мощного потока энергии. Например, пары воды распадаются до атомов водорода и кислорода, а это приводит к увеличению выхода водорода.

После настройки на установившийся режим возможно снизить подачу инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным в диапазоне от 1 до 10 кэВ. При испытаниях удалось снизить подачу инертного газа в 2,5 раза.

Часть тепловой энергии движущейся ионизированной плазмы преобразуется в электрическую в МГД-генераторе 20, другая часть снимается в теплообменнике 8, посредством теплоносителя и идет на нагревание бойлера 24, а оставшаяся часть является тепловыми потерями.

Образовавшиеся продукты реакций захватываются вихревым потоком и выводятся под действием избыточного давления внутри диэлектрической трубы 1 через выходной патрубок 26 в водяной затвор 9, где твердые продукты оседают на дно, а газовые – подаются на газовый сепаратор 10 для отделения водорода и подачи его в накопитель 27.

Формирование вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком позволяет снизить осевую составляющую скорости в вихревом потоке и увеличить тангенциальную составляющую, и тем самым, благодаря эффекту Ранка-Хирша, усилить сепарацию газовых потоков и направить практически весь образовавшийся водород в зону плазмохимического взаимодействия с нанокластерными частицами гидридообразующего металла и, соответственно, увеличить выход тепловой энергии при прочих равных условиях. Кроме того, применение комбинации вихревого потока с отраженным позволяет увеличить время нахождения реагента в области плазменного потока вследствие снижения осевой составляющей потока, а соответственно, повысить генерируемую тепловую энергию, благодаря более полному использованию реагентов в процессе плазмохимических реакций, или уменьшить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора, примерно в 2 раза.

При работе устройства происходит изнашивание катода вследствие электрической эрозии, поэтому для его снижения предложено использовать добавление в воду мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла. При этом в узле подготовки реагентов 11 готовят суспензию мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла на водной основе методом ультразвукового диспергирования, а затем реагент подают в узел подачи 12.

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

Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ, достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 500 мм) 10 Вт/см³ и одновременно нарабатывался водород до 0,1 Г/с.

На предложенной авторами экспериментальной установке достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 250 мм) 20 Вт/см³, что в 2 раза выше, чем в прототипе, и нарабатывался водород до 0,2 Г/с, что также в 2 раза выше. Одновременно снималась электроэнергия до 1500 Вт.

Кроме того, удалось снизить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора примерно в 2 раза, уменьшить расход инертного газа в 2,5 раза.

Таким образом, предложенный способ и устройство получения тепловой и электрической энергии и водорода более эффективны по сравнению с прототипом.

Изобретение относится к электроэнергетике и водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой и электрической энергии и попутно для получения водорода. В способе предусмотрена настройка плазменного реактора на режим аномально высокого выделения тепловой энергии путем контроля рентгеновского излучения, измеряемого вблизи от катода 7, и изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды, частоты и скважности, так чтобы рентгеновское излучение было в диапазоне от 1 до 10 кэВ, а также снижение подачи инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода 7 и выделяемого тепла. Кроме того, формируют гетерогенный вихревой поток инертного газа в комбинации с отраженным вихревым потоком, а в качестве реагента вводят воду или водную суспензию мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла. Для этого в плазменном реакторе на внешней оболочке трубы 1 ближе к катоду установлен детектор рентгеновского излучения 21, а генератор комбинированного напряжения 5а и 5б с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими имеет возможность изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды, частоты и скважности. Выходной патрубок 26 установлен на внешней оболочке трубы между ее выходным концом и анодом 3, а теплообменник 8, предназначенный для съема тепловой энергии, размещен на внешней оболочке трубы 1 между ее входным концом и выходным патрубком 26. Плазменный реактор снабжен узлом подготовки реагентов 11, соединенным с узлом подачи реагентов 12. Электроэнергию снимают путем установки МГД-генератора 20 на выходе ионизированной плазмы из зоны электрического разряда реактора. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения тепловой энергии, извлечения водорода и электрической энергии, включающий формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отбор тепловой энергии через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода, отличающийся тем, что плазменный реактор настраивают на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при установившемся режиме работы плазменного реактора после его настройки снижают подачу инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что формируют вихревой поток в комбинации с отраженным вихревым потоком.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что в плазменный реактор вводят в качестве реагента мелкодисперсные частицы воды.

5. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что в плазменный реактор вводят в качестве реагента суспензию мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла в воде.

6. Способ по пп. 1-6, отличающийся тем, что извлекают электроэнергию путем установки МГД-генератора на выходе плазмы из зоны электрического разряда реактора.

7. Устройство для реализации способа, содержащее теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом из гидридообразующего металла, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок, соединенный с водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода, отличающееся тем, что на внешней оболочке трубы ближе к катоду установлен детектор рентгеновского излучения, а генератор комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими имеет возможность изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды, частоты и скважности.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что на выходном конце трубы установлена съемная герметичная крышка из диэлектрического жаропрочного материала, так что формирование вихревого потока производится в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки, при этом выходной патрубок установлен на внешней оболочке входного конца трубы, а теплообменник, предназначенный для отбора тепловой энергии, размещен на внешней оболочке трубы между анодом и выходным патрубком.

9. Устройство по пп. 7 и 8, отличающееся тем, что плазменный реактор снабжен узлом подготовки реагентов, соединенным с узлом подачи реагентов.

10. Устройство по пп. 7-9, отличающееся тем, что плазменный реактор снабжен МГД-генератором для извлечения электроэнергии.

11. Устройство по п. 10, отличающееся тем, что МГД-генератор установлен между анодом и теплообменником.