Способ эффективной генерации тепловой энергии и устройство для его реализации Российский патент 2024 года по МПК H02N3/00 F24V30/00 

Область техники

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании источников тепловой энергии (в том числе автономных), работа которых основана на формировании высоковольтного электрического разряда и создании плазменного потока. Отвод тепла может осуществляться через теплообменник.

Уровень техники

Известны устройства для получения тепловой энергии, работа которых основана на формировании высоковольтного электрического разряда и создании плазменного потока.

Известен способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации [RU 2554512, опубл. 27.03.2014], 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.

Недостатком известного устройства является относительно низкий уровень и высокая себестоимость получаемой тепловой и электрической энергии.

Известен способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации [RU 2738744, опубл. 31.12.2019], основанный на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом, пассивными электродами и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего 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, разделение водорода и водяного пара реализуется с помощью водяного затвора и газгольдера-сепаратора.

Недостатком известного устройства является относительно низкий уровень и высокая себестоимость получаемой тепловой и электрической энергии, кроме того, прямоточная схема с одиночным вихрем приводит к газодинамическим неустойчивостям высоковольтного электрического разряда и как следствие к ненадежности всего устройства в целом.

Раскрытие сущности изобретения

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в эффективной генерации тепловой энергии с низкой себестоимостью, простотой и надежностью конструкции.

Технический результат заключается в повышении эффективности генерации дешевой тепловой энергии и надежности конструкции устройства для реализации настоящего изобретения.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается использованием способа эффективной генерации тепловой энергии, включающего формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока тепла через теплообменник, отличающийся тем, что формируют высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно анодным и катодным электродами путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величиной импульсного напряжения от 5 до 15 кВ, и средним током от 0,5 до 5,0 А, а также формируют обратно-вихревой поток рабочего газа, который состоит из первичного вихревого потока рабочего газа, проходящего вдоль стенки керамической трубы и формируемого формирователем вихревого потока и обратного вихревого потока, который формируется при отражении первичного вихревого потока от дна разрядной камеры и перенаправлении отраженного вихревого потока внутрь первичного вихревого потока в зону пониженного давления внутри первичного вихревого потока, при этом в качестве рабочего газа и поставщика атомарного и ионизированного водорода используют атмосферный воздух с содержанием аэрозоля воды с регулируемой влажностью, при этом электродные анод и катод выполняют из гидридообразующего металла.

В одном из вариантов реализации способа электродные анод и катод выполняют из никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

В одном из вариантов реализации способа формирователь первичного вихревого потока рабочего газа выполняется с тангенциальным вводным соплом и входной улиткой, построенной по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается использованием устройства для генерации тепловой энергии для реализации способа по п. 1, содержащего формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическую трубу из жаропрочного материала, электродные анод и катод, выпускное сопло, а также теплообменник, причем высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно анодным и катодным электродами формируется путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величиной импульсного напряжения от 5 до 15 кВ и средним током от 0,5 до 5,0 А, причем электродные анод и катод размещены на оси выпускного сопла, которое служит для выпуска горячего рабочего газа, при этом электродные анод и катод выполнены из гидридообразующего металла.

В одном из вариантов реализации устройства для генерации тепловой энергии электродные анод и катод выполняют из никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

В одном из вариантов реализации устройства для генерации тепловой энергии формирователь первичного вихревого потока рабочего газа выполняется с тангенциальным вводным соплом и входной улиткой, построенной по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе.

Причинно-следственная связь между введенными существенными признаками способа и устройства и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что при:

1. Формировании стримерного электрического разряда между установленными последовательно анодным и катодным электродами;

2. Формировании обратно-вихревого потока рабочего газа вдоль оси между электродами;

3. Выполнении электродных анода (3) и катода (4) из гидридообразующего металла (например, никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена и их сплавов) происходит интенсивное образование ионизированного водорода из рабочего газа, в качестве которого используется влажный атмосферный воздух, и существенно более мощное по сравнению с прототипом образование нано-кластерных металлических частиц - продуктов эрозии электродов.

Краткое описание чертежей

На чертеже представлена конструкция заявленного устройства.

Устройство содержит формирователь вихревого потока рабочего газа (1), диэлектрическую трубу (2) из жаропрочного материала, электродные анод (3) и катод (4), выпускное сопло (5), а также теплообменник (6).

Указанная конструкция устройства представляет собой стримерный вихревой теплогенератор - СВТГ.

Формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическая труба, электродные анод и катод, выпускное сопло все вместе составляют разрядную камеру.

Электродный катод (4) выполнен из гидридообразующего металла (например, никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена и их сплавов).

Электродный катод (4) размещен на оси выпускного сопла (5), которое служит для выпуска горячего рабочего газа.

Теплообменник (6) служит для преобразования тепловой энергии рабочего газа в тепловую энергию промышленного или бытового теплоносителя (воды, антифриза и т. п.).

Осуществление изобретения

В способе, основанном на формировании высоковольтного электрического разряда и создании плазменного потока создается стримерный высоковольтный электрический разряд между установленными последовательно анодным (3) и катодным (4) электродами, выполненными из гидридообразующего металла, и формируется обратно-вихревой поток рабочего газа (см. чертеж), который состоит из первичного вихревого потока рабочего газа, проходящего вдоль стенки керамической трубы и формируемого формирователем вихревого потока, и обратного вихревого потока.

В качестве рабочего газа и поставщика атомарного и ионизированного водорода используется атмосферный воздух с содержанием аэрозоля воды с регулируемой влажностью, прошедший зону электрического разряда. Поставщиком нано-кластерных металлических частиц является эрозирующий катод (4) в стримерном разряде. Электродные анод (3) и катод (4) выполнены из гидридообразующего металла (например, никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена и их сплавов). Электродный катод размещен на оси выпускного сопла (5), которое служит для выпуска горячего рабочего газа. Теплообменник (6) служит для преобразования тепловой энергии рабочего газа в тепловую энергию промышленного или бытового теплоносителя (воды, антифриза и т. п.).

При этом высоковольтный стримерный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величина импульсного напряжения составляет от 5 до 15 кВ, а стримерный разряд поддерживают средним током от 0,5 до 5,0 А.

При этом формируют обратно-вихревой поток рабочего газа. Первичный вихревой поток создается формирователем вихревого потока (1) и проходит вдоль стенки диэлектрической трубы (2). Формирователь вихревого потока имеет тангенциальное вводное сопло и входную улитку, выполненную по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе. Обратный вихревой поток формируется при отражении первичного вихревого потока от дна разрядной камеры и перенаправлении отраженного вихревого потока внутрь первичного вихревого потока в зону пониженного давления внутри первичного вихревого потока. Обратный вихревой поток обжимает разряд и стабилизирует его на оси разрядной камеры за счет радиальных сил Бернулли вихревого потока.

Это обусловливает более высокую эффективность генерации тепловой энергии относительно способа-прототипа за счет специфических высокоэнергетических плазмохимических реакций ионизированного водорода с эрозионными металлическими нано-кластерными частицами. Обратно-вихревой поток позволяет обеспечить тепловую защиту элементов конструкции предлагаемого устройства.

Теплообменник преобразует тепловую энергию рабочего газа в тепловую энергию промышленного или бытового теплоносителя (воды, антифриза и т. п.).

В вышеприведенном описании варианты реализации настоящего изобретения изложены для ясности со ссылкой на конкретные элементы и блоки.

Однако понятно, что может быть использовано любое подходящее распределение функциональных возможностей между разными функциональными элементами или блоками без ущерба для настоящего изобретения. Поэтому ссылки на конкретные функциональные блоки или схемы должны рассматриваться только как ссылки на подходящие средства для обеспечения описываемых функциональных возможностей. Настоящее изобретение может быть реализовано в любой подходящей форме. Хотя настоящее изобретение было описано в связи с некоторыми вариантами реализации, это не следует рассматривать как ограничение конкретной формой, изложенной в настоящем документе. Объем настоящего изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Далее, хотя отдельные признаки могут быть включены в разные пункты формулы изобретения, они, возможно, могут быть эффективно объединены, а включение в разные пункты формулы изобретения не означает, что комбинация признаков является неосуществимой и/или невыгодной. Кроме того, порядок признаков в формуле изобретения не означает конкретного порядка, в котором эти признаки должны применяться.

С учетом изложенного, можно сделать вывод о том, что существенные признаки заявленного изобретения не известны из уровня техники и обеспечивают полное соответствие заявленного изобретения условиям патентоспособности «новизна» и «изобретательский уровень».

Заявленное изобретение может быть использовано в промышленности. Таким образом, заявленное изобретение удовлетворяет условию патентоспособности «промышленная применимость».

Отсюда следует, что, по мнению заявителя, заявленное изобретение полностью соответствует условиям патентоспособности согласно ст. 1350 ГК РФ.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии. Технический результат – повышение эффективности генерации тепловой энергии и надежности конструкции устройства генерации. В заявленном способе предусмотрено формирование высоковольтного стримерного электрического разряда между установленными последовательно анодным и катодным электродами путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величиной импульсного напряжения от 5 до 15 кВ, а стримерный разряд поддерживают средним током от 0,5 до 5,0 А. Предусмотрено формирование обратно-вихревого потока рабочего газа, состоящего из первичного вихревого потока рабочего газа, проходящего вдоль стенки керамической трубы и формируемого формирователем вихревого потока с тангенциальным вводным соплом и входной улиткой, построенной по спирали Архимеда, и обратного вихревого потока, формируемого при отражении первичного вихревого потока от дна разрядной камеры и его перенаправлении внутрь первичного вихревого потока в зону пониженного давления внутри первичного вихревого потока. Электродные анод и катод выполняются из гидридообразующего металла, например никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена и их сплавов. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эффективной генерации тепловой энергии, включающий формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока тепла через теплообменник, отличающийся тем, что формируют высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно анодным и катодным электродами путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величиной импульсного напряжения от 5 до 15 кВ и средним током от 0,5 до 5,0 А, а также формируют обратно-вихревой поток рабочего газа, который состоит из первичного вихревого потока рабочего газа, проходящего вдоль стенки керамической трубы и формируемого формирователем вихревого потока и обратного вихревого потока, который формируется при отражении первичного вихревого потока от дна разрядной камеры и перенаправлении отраженного вихревого потока внутрь первичного вихревого потока в зону пониженного давления внутри первичного вихревого потока, при этом в качестве рабочего газа и поставщика атомарного и ионизированного водорода используют атмосферный воздух с содержанием аэрозоля воды с регулируемой влажностью, при этом электродные анод и катод выполняют из гидридообразующего металла.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что электродные анод и катод выполняют из никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что формирователь первичного вихревого потока рабочего газа выполняется с тангенциальным вводным соплом и входной улиткой, построенной по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе.

4. Устройство для генерации тепловой энергии для реализации способа по п.1, содержащее формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическую трубу из жаропрочного материала, электродные анод и катод, выпускное сопло, а также теплообменник, причем высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно анодным и катодным электродами формируется путем подачи на них импульсно-периодического высоковольтного напряжения с частотой от 30 до 50 кГц, величиной импульсного напряжения от 5 до 15 кВ и средним током от 0,5 до 5,0 А, причем электродные анод и катод размещены на оси выпускного сопла, которое служит для выпуска горячего рабочего газа, при этом электродные анод и катод выполнены из гидридообразующего металла.

5. Устройство для генерации тепловой энергии по п.4, отличающееся тем, что электродные анод и катод выполняют из никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

6. Устройство для генерации тепловой энергии по п.4, отличающееся тем, что формирователь первичного вихревого потока рабочего газа выполняется с тангенциальным вводным соплом и входной улиткой, построенной по спирали Архимеда, что обеспечивает устранение зоны завихрения на сопловом срезе.