Привлечение гипотез о прохождении каких-либо ядерных реакций в кавитационном пузырьке на тех мощностях и энергиях, при которых функционируют уже ставшие традиционные вихревые теплогенераторы, несостоятельны. Превышение радиационного фона выше естественного возле работающего агрегата не выявлено. Если даже допустить прохождение еще не известных ядерных реакций, то выявление того, «генерального» направления повышения эффективности преобразования электрической энергии в тепловую, связано с неполным пониманием процессов, которые происходят в вихревых теплонагревателях.
Несомненным поставщиком дополнительного тепла являются кавитационные процессы в жидкостях, которые используются в качестве рабочего тела. Кавитация, как физический процесс, сопровождается сонолюминесценцией, т.е. свечением жидкости. Есть много экспериментальных фактов, говорящих в пользу того, что это свечение сонолюминисценции имеет электрическое происхождение.
В зависимости от конкретных условий, температура светящегося участка при сонолюминисценции, после прохождения разряда между стенками пузырька составляет, возможно, 2000-5000 град. С. В случае кавитации в чистой воде максимальная интенсивность сонолюминисценции происходит до 40 град. С. С повышением температуры свечение жидкости падает и соответственно падает температура в кавитационном пузырьке.
Если допустить возможность участия в процессе генерации избыточного тепла атомарного водорода, то наблюдаемый вариабельный коэффициент преобразования 1-1,4-1,6 получает приемлемое объяснение. В целом идея кавитационного теплонагревателя верна, но получение температуры до 3000 град. С в малом объеме кавитационного пузырька, таким экзотическим способом не оправдана. Конечно, объем в жидкости занятой кавитационными пузырьками велик, но фактически только до температуры 40 град С (в случае применения в качестве рабочего тела воды) нагревание идет с повышенным коэффициентом, а после идет прямое преобразование механической энергии потока в тепловую энергию. При температуре в пузырьке 2000- 5000 град. С, часть находящегося в нем пар разлагается на составные газы и, по всей видимости, происходит ионизация водорода. Но при таких температурах только часть (10-15%) молекулярного водорода переходит в ионизированное состояние.
Большое количество энергии, выделяющейся при образовании молекулы водорода, объясняет её устойчивость при обычных условиях. Вместе с тем оно же наводит на мысль о возможности термической диссоциации (разложения при нагревании) молекулы Н2, если сообщить ей достаточное количество тепла. Опыт показывает, что заметная термическая диссоциация водорода начинается примерно с 2000 °С и происходит тем в большей степени, чем выше температура. Наоборот, при понижении температуры отдельные атомы вновь соединяются в молекулы.
Очевидно, что затрачиваемая энергия (энергия диссоциации) должна быть восполнена энергией, выделяющуюся при рекомбинации атомов водорода с введённым в реакцию веществом. Следовательно, можно ожидать, что реакция водорода, при которых выделяется дополнительное тепло, не будет протекать самопроизвольно. В случае взаимодействия веществ с атомарным водородом такой затраты энергии на диссоциацию уже не требуется.
В этом отношении стоит обратить внимание на процесс, который был основан на открытии диссоциации и рекомбинации атомарного водорода, сделанном Ирвингом Лангмюром в 1912 году. После этого Лангмюр изобрел сварку атомарным водородом. При этом процессе «обычный» двухатомный водород пропускается через электрическую дугу, которая разлагает его на атомарный водород.
Атомарный водород рекомбинирует на поверхности (обрабатываемого) металла, создавая очень высокую температуру. К 1963 году этот процесс сварки уже считался устаревшим.
Концепция получения дополнительного тепла основана на том факте, что общая мощность в ваттах, необходимая для проведения сварки атомарным водородом, в действительности меньше, чем мощность, необходимая для выполнения такой же работы обычным сварочным трансформатором. Некоторая часть этого снижения в электропотреблении может быть отнесена на счет большей концентрации тепла. Маловероятно, что этого достаточно для такого значительного снижения электрической энергии. В конце концов, обычный сварочный трансформатор тоже незначительно рассеивает тепло. Такой же вид снижения потребления электричества наблюдается у сходных устройств для плазменной сварки.
Если за процесс генерирования дополнительного тепла ответственен атомарный водород, то возможен более простой и удобный путь его получения, нежели в кавитационных агрегатах.
Атомарный водород удобно получать действием на обычный водород электрического разряда. Осуществление этого способа было достигнуто при плазменном электролизе водных растворов. Эксперименты показали, что после подачи на электроды напряжения свыше 300-т Вольт, вольфрамовый электрод (-) оплавлялся и закипал. Температура кипения вольфрама 5900 град. С и это свидетельствует о том, что выделение некоторой части молекулярного водорода на катоде проходит стадию атомарного состояния. А как мы увидели выше, рекомбинация водорода в молекулу сопровождается избыточным тепловыделением. Но при такой температуре (5900 град. С) закипание электрода приведет к поломке агрегата, поэтому приходится снижать напряжение на электродах и «держаться» в районе температур до 2000 град. С. Но при этой температуре только малая (до 10-15%) часть выделяющегося водорода проходит стадию ионизации-рекомбинации. Соответственно коэффициент дополнительного тепла, которое можно получить в системе остается на уровне 1-1,4-1,7.
Практическая реализация плазменного теплогенератора.
Основным изменением условия проведения электролиза является то, что в качестве электрода, контактирующего с электролитом, является плазма. Здесь возможно три варианта. В качестве электрода может выступать плазменный катод, плазменный анод и случай их совместного горения в одном объеме. Наблюдается, как и при обычном электролизе, выделение гремучего газа, но не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. По выработке тепловой энергии также наблюдается аномалия. При затрате электрической энергии 1 кВт/ч на плазменный электролиз, выход тепловой энергии в случае катодной плазмы до 1,5кВт/ч., при условии рекомбинации водорода и кислорода и использовании их энергии сгорания на нагрев электролита.
Очевидно, природа аномального тепловыделения состоит в том, что при плазменном электролизе возможен ход электрохимической реакции, при котором выделение водорода и кислорода проходит стадию атомарного состояния и только затем газы соединяются в молекулу с выделением дополнительной энергии. Полагается, что при обычном электролизе соотношение между вложенной и полученной энергией от сгорания продуктов разложения, как известно равно 1 / 1. Это происходит в случае выделения молекулярного кислорода и водорода. Энергия сгорания этих газов выделит ту же затраченную энергию, которая использовалась на разложение электролита на водород и кислород. Это соотношение определяется базовым уравнением:
Где 241,6 кДж/моль – энергия сгорания водорода и кислорода и превращение их в парообразную воду и 43,9 кДж/моль энергия конденсации паров воды в жидкое состояние.
Если выделяемый водород в плазме пройдет стадию выделения в атомарном виде, то при соединении в молекулу выделится энергия:
Эта энергия и есть прибавка к выделяемому теплу в эксперименте на уровне 1 / 1,4-1,6.
В случае горения анодной плазмы и выделения кислорода, стоит предположить, что идет реакция соединения кислорода в молекулу с выделением энергии:
Общий баланс энергий на плазменное разложение электролита и рекомбинационных процессов при сгорании и конденсации паров воды дают выход тепловой энергии равной:
286 + 436 + 143 = 865 кДж/ моль
А затраты энергии на разложение электролита водород и кислород составляют:
Н2О=Н2 + ½ О2 – 286 кДж/ моль
Как видим при плазменном электролизе происходит выделение тепловой энергии превышающее вложенную. Источником этой дополнительной энергии является измененный процесс обычного электролиза, и классический закон в чистом виде не может это описать, что подтверждается экспериментально. Далее следует осторожно применять общую классическую формулировку, что сумма всех энергий в замкнутой системе равна нулю, т.к. затрагивая вопросы перехода вещества от атомарного уровня к молекулярному, мы вторгаемся в область строения электронных оболочек и систему навряд ли можно назвать замкнутой.
Немало важным моментом в цепи питания плазменного отопительного котла может, является присутствие индуктивности. В электротехнике индуктивность всегда была «темной лошадкой». При установившемся синусоидальном токе поведение индуктивности просчитывается по известным формулам, которые удовлетворительно описывают практические применения. В случае, если в электрической цепи текут несинусоидальные токи самой разнообразной формы и тем более в случае их асимметричности по амплитуде и времени, то известные формулы для расчета характеристик индуктивности, можно применять с большой осторожностью.
Известны переходные процессы в электрических машинах, которые содержат индуктивности, при замыкании и размыкании электрической цепи. Возникающие при этом перенапряжения и броски тока, превышающие номинал в 8-10 раз, по умолчанию обычно списывают на источник электрической мощности, к которой подключается электрическая машина. Если представить плазменный промежуток как прерыватель тока, то возможен случай, когда переходный процесс в индуктивности еще не закончился, а следующий период переходного процесса накладывается один на другой. В этом случае возможно и таится аномалия избыточного энерговыделения в электрических цепях, которые содержат индуктивности. Возникающая реактивная мощность в цепи – это, как пишут в учебниках электротехники, обмен энергиями между генератором и индуктивностью.
Здесь большую роль играет частота тока и соотношение L / Rом. (где L- индуктивность, Rом – омическое сопротивление провода). Третьим фактором выступает сила намагничивающего тока протекающего в индуктивности и масса магнитопровода.
На основании проведенных экспериментов и в «живую» созданного теплогенератора, решено было оформить патент на плазмохимический генератор:
Н05Н1/24-1/52
Плазмохимический теплогенератор.
Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам, и предназначено для использования в качестве системы для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных помещений.
Известен способ получения тепловой энергии, водорода и кислорода (Патент РФ №2228390). Известный способ состоит в том, что при разной площади положительного и отрицательного электрода, контактирующих с раствором электролита, на отрицательном остроконечном, меньшем по площади, электроде из-за высокой плотности тока возникает плазма. Происходит так называемый, плазменный электролиз. При этом, выделяющийся на отрицательном электроде водород проходит стадию атомарного состояния и затем, после выхода из зоны действия плазмы соединяется в молекулу с выделением энергии.
Известно, что соединение атомов водорода в молекулу идет с выделением энергии (ЖФХ, 1998, том 72,№4, с.765-768) по формуле:
Н + Н—–Н2 + 436,0 кДж/моль,
что приводит к дополнительному нагреву раствора электролита.
К недостаткам данного способа получения тепловой энергии можно отнести, то что, на положительном, большем по площади электроде, идет выделение молекулярного кислорода без прохождения стадии атомарного состояния, а также отсутствие в вышеприведенном способе устройства для использования энергии сгорания водорода и кислорода.
В основу изобретения поставлена задача повышения энергетических показателей теплотворной способности плазменного электролиза, создание безопасного устройства для рекомбинации водорода и кислорода, повышение КПД преобразования электрической энергии в тепловую.
Поставленная задача достигается тем, что применение остроконечных электродов равных площадей позволяет осуществить одновременное горение в одном объеме анодной и катодной плазмы, что повышает тепловыделение. Так как выделяющийся кислород на положительном электроде проходит стадию выделения в атомарном виде и после выхода из зоны плазмы, так же как и водород, соединяясь в молекулу, выделяет энергию по формуле:
(1/2)(О+О)——О2+246,2кДж/моль.
Одновременное горение анодной и катодной плазмы в одном объеме технически трудноосуществимо, но разработка собственной оригинальной схемы электрического питания, позволило добиться этого эффекта.
Плазмохимический теплогенератор содержит в электрической цепи питания постоянного тока индуктивность, которая при горении плазмы в теплогенераторе выделяет тепло, и к своему омическому сопротивлению еще добавляется волновое сопротивление, т.к. при горении плазмы в цепи постоянного тока идет периодическое прерывание электрической цепи. Индуктивность сконструирована таким образом, что выделяемое в ней тепло подводится к электролиту.
Предлагаемое техническое решение представлено на чертеже.
Фиг.1- представлена принципиальная схема плазмохимического генератора тепла.
Плазмохимический генератор состоит из корпуса рабочей камеры 1, остроконечных электродов 2, в диэлектрической термостойкой изоляции 3, циркуляционного насоса 5, индуктивности 6, теплообменника 7, омывающей емкости 8, газонакопителя 9, газоотделителя 10, рабочей камеры сгорания водорода и кислорода 11 и устройства поджога смеси водорода и кислорода 13.
Плазмохимический теплогенератор работает следующим образом.
Организуют направление протока электролита 14 циркуляционным насосом 5. При подаче электрического тока на электроды 2 формируется область горения анодной и катодной плазмы 4. В этой области происходит интенсивный нагрев и разложение электролита на водород и кислород. Образующиеся пузырьки газа выносятся потоком электролита 14 из рабочей камеры 1 и поступают в омывающую емкость 8 и далее проходят в теплообменник 7. После выхода из теплообменника в газоотделителе 10 пузырьки газа поднимаются вверх архимедовой силой через область газонакопителя 9 и собираются в герметичной воздушной полости 11. По мере накопления горючего газа в полости 11, уровень электролита 12 в газонакопителе 9 понижается. Устройством 13 осуществляется поджог горючей смеси с выделением тепловой энергии, которая передается корпусу газонакопителя 9 и омывающей емкости 8. Уровень электролита 12 возвращается на прежний уровень и цикл повторяется.
Электролит после прохождения теплообменника 7 отдает аккумулированное тепло и охлажденным проходит внутреннею полость индуктивности 6, где получает дополнительный нагрев. Далее электролит после газоотделения поступает в циркуляционный насос 5 и подается в рабочую камеру 1.
Система является герметичной и при своей работе не требуется добавление электролита, т.к. при разложении электролита на составляющие газы происходит убыль, а при рекомбинации в полости 11 этот же объем разложившегося электролита возвращается в систему.
Заявитель А.П. Хрищанович
Формула изобретения
1. Устройство для получения тепловой энергии, что состоит из по крайней мере из двух и более плазменных промежутков, образованных на концах электродов в составе раствора электролита, отличается тем, что плазма одновременно образуется на положительном и отрицательном электроде.
2. Устройство для получения тепловой энергии, отличается тем, что выделяющийся водород и кислород рекомбинирует в устройстве с выделением тепла.
Заявитель А.П. Хрищанович
Реферат
Изобретение относится к теплотехнике, а именно к теплогенераторам, и предназначено для использования в качестве системы для отопления и горячего водоснабжения жилых и промышленных помещений.
Устройство для получения тепловой энергии содержит рабочую камеру, в которой образуется высокотемпературная анодная и катодная плазма, что способствует повышению коэффициента преобразования электрической энергии в тепловую.