Способ получения тепловой и электрической энергии и устройство для его реализации Российский патент 2025 года по МПК H02N3/00 

Область техники

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании источников тепловой и электрической энергии, работа которых основана на формировании высоковольтного электрического разряда и создании плазменного потока. Для рассматриваемого устройства можно также использовать краткое название: «Плазменный энергогенератор - ПлЭГ».

Уровень техники

Известны устройства для получения тепловой энергии, работа которых основана на формировании высоковольтного электрического разряда и создание 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 на способ, заключается в эффективной генерации тепловой и электрической энергии с низкой себестоимостью, простота и надежность конструкции.

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

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается использованием способа эффективной генерации тепловой и электрической энергии, включающего формирование высоковольтного электрического разряда и создание теплового потока рабочего газа, отличающийся тем, что формируют высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно электродным анодом и электродным катодом 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 аэрозоли воды с регулируемой влажностью, причем электродный катод выполнен в виде многоконтактной цилиндрической формы, причем электродный анод выполнен в виде чашки для использования «жидкого электрода» из гидридообразующего металла.

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

В одном из вариантов реализации способа электродный катод выполнен в одном конструктиве с цилиндрическим выпускным соплом.

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 также использованием устройства, содержащего формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическую трубу из жаропрочного материала, электродные анод и многоконтактный катод, выпускное сопло, устройство для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей или устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, причем высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно электродным анодом и многоконтактным электродным катодом 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 многоконтактный катод размещены на оси выпускного сопла, которое служит для выпуска горячего рабочего газа, при этом электродные анод и многоконтактный катод выполнены из гидридообразующего металла.

В одном из вариантов реализации устройства электродные анод и многоконтактный катод выполняют из гидридообразующего металла, например никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

В одном из вариантов реализации устройства электродный анод выполнен в виде чашки для использования «жидкого электрода» из гидридообразующего металла, например, металлического лития и/или гидрида титана и/или галлия.

В одном из вариантов реализации устройства 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.

В одном из вариантов реализации устройства на выходе установлен теплообменник для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей.

В одном из вариантов реализации устройства на выходе установлено устройство для преобразования тепловой энергии рабочего газа в электрическую.

В одном из вариантов реализации устройства устройство для преобразования тепловой энергии рабочего газа в электрическую выполнено в виде двигателя Стирлинга.

В одном из вариантов реализации устройства устройство для преобразования тепловой энергии рабочего газа в электрическую выполнено в виде турбины.

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 (4) и катода (3) из гидридообразующего металла (например, никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена и их сплавов) многоштырьковой цилиндрической формы;

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 фиг. 1 представлена конструкция заявленного устройства в случае реализации устройства с устройством для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменником).

На фиг. 2 представлена конструкция заявленного устройства в случае реализации устройства с устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую (двигатель Стирлинга, турбина и т.п).

На фиг. 3 представлен пример многоконтактного электродного катода.

На фиг. 4. показана фотография стримерного разряда между электродами многоконтактной цилиндрической формы

На чертежах показаны следующие элементы:

1 - формирователь вихревого потока рабочего газа;

2 - диэлектрическая труба из жаропрочного материала;

3 - многоконтактный электродный катод;

4 - электродный анод;

5 - выпускное сопло;

6 - устройство для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменник);

7 - устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую (двигатель Стирлинга, турбина 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 и катодным 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 аэрозоли воды с регулируемой влажностью, прошедший зону электрического разряда. Поставщиком нано-кластерных металлических частиц является эрозирующий катод в стримерном разряде. Электродные анод и катод 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.

В случае реализации устройства в варианте нагрева промышленных и бытовых теплоносителей, устройство (6) преобразует тепловую энергию рабочего газа в тепловую энергию промышленного или бытового теплоносителя (воды, антифриза и т.п).

В случае реализации устройства в варианте преобразования тепловой энергии в электрическую, устройство 7 осуществляет преобразование тепловой энергии в электрическую энергию промышленного или бытового стандарта.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании источников тепловой и электрической энергии, работа которых основана на формировании высоковольтного электрического разряда и создании плазменного потока. Технический результат - повышение эффективности генерации тепловой и электрической энергии и надежности конструкции устройства для реализации настоящего изобретения. Способ генерации тепловой и электрической энергии включает формирование высоковольтного электрического разряда и создание теплового потока рабочего газа, а устройство для реализации способа содержит формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическую трубу из жаропрочного материала, электродные анод и многоконтактный катод, выпускное сопло, устройство для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменник) или устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую.2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ генерации тепловой и электрической энергии, включающий формирование высоковольтного электрического разряда и создание теплового потока рабочего газа, отличающийся тем, что формируют высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно электродным анодом и электродным катодом 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, причем электродный катод выполнен в виде многоконтактной цилиндрической формы, причем электродный анод выполнен в виде чашки для использования «жидкого электрода» из гидридообразующего металла, причем тепловой поток рабочего газа поступает на вход устройства для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменник) или устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую.

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

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что электродный катод выполнен в одном конструктиве с цилиндрическим выпускным соплом.

4. 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.

5. Устройство для генерации тепловой и электрической энергии при реализации способа по п. 1, содержащее формирователь вихревого потока рабочего газа, диэлектрическую трубу из жаропрочного материала, электродные анод и многоконтактный катод, выпускное сопло, устройство для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменник) или устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую, причем выпускное сопло подключено к входу устройства для нагрева промышленных и бытовых теплоносителей (теплообменник) или устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую,

причем высоковольтный стримерный электрический разряд между установленными последовательно электродным анодом и многоконтактным электродным катодом 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 многоконтактный катод размещены на оси выпускного сопла, которое служит для выпуска горячего рабочего газа, при этом электродные анод и многоконтактный катод выполнены из гидридообразующего металла.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что электродные анод и многоконтактный катод выполняют из гидридообразующего металла, например никеля, титана, платины, палладия, вольфрама или молибдена или их сплавов.

7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что электродный анод выполнен в виде чашки для использования «жидкого электрода» из гидридообразующего металла, например металлического лития, и/или гидрида титана, и/или галлия.

8. Устройство по п. 5, 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.

9. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство для преобразования тепловой энергии рабочего газа в электрическую выполнено в виде двигателя Стирлинга.

10. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что устройство для преобразования тепловой энергии рабочего газа в электрическую выполнено в виде турбины.