ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2174162
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
Имя изобретателя: Кудымов Г.И.; Студенников В.В.
Имя патентообладателя: Кудымов Георгий Иванович; Студенников Василий Васильевич
Адрес для переписки: 103009, Москва, а/я 184, для ППФ "ЮС", пат.пов. С.В. Ловцов, рег. № 59
Дата начала действия патента: 1998.06.22
Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть
использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой
путем, например, электролиза. Задачей, на решение которой направлено изобретение,
является создание устройства, которое позволяло бы совершать параллельное
преобразование механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.
Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза, получении
наряду с кислородом и водородом электрической энергии и утилизации тепла. Устройство
для преобразования энергии, например, путем электролиза содержит вращающуюся емкость
с валом, заполненную раствором электролита. Емкость установлена на остове и связана с
приводом вращения. В устройстве имеются электроды, каналы подвода раствора
электролита в емкость и отвода продуктов электролиза. Устройство имеет теплообменник.
Электроды устройства или коротко замкнуты между собой или соединены в контур через
потребитель электроэнергии. Емкость установлена с возможностью обеспечения угловой
скорости  ее вращения, определяемой из
математического соотношения, приведенного в формуле изобретения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть
использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой
путем, например, электролиза.
Из существующего уровня техники известно устройство для преобразования
механической энергии в электрическую, а затем в химическую путем разложения воды
электролизом раствора электролита и получения при этом водорода и кислорода. Данное
устройство содержит емкость с валом, который установлен в опорах на остове с
возможностью вращения. Он кинематически связан с приводом вращения, например с
двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и генератором электрического тока. Емкость
заполнена раствором электролита, в ней имеются электроды, включенные в электрическую
цепь генератора, и каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов
электролиза (см. РФ, Патент N 2015395, F 02 М 21/00, 1990 г.).
Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует
принципиально иные конструктивные подходы к получению конечного результата от
использования известного изобретения. Кроме того, данное устройство не позволяет
совершать нетрадиционные преобразования энергии, тем более в комплексе: одновременно
несколько параллельных циклов преобразования.
Это устройство во время вращения емкости обеспечивает последовательное
преобразование механической энергии привода сначала в электричество и только затем в
химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода. Такая обязательная
последовательность преобразования энергии предопределяет низкий коэффициент
полезного действия (КПД) устройства, поскольку компенсация эндотермического эффекта
реакции разложения воды производится за счет использования выработанной
электроэнергии, и не обеспечивает возможности ее полезного использования на внешней
нагрузке без резкого снижения выхода водорода и кислорода.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание
устройства, которое позволяло бы совершать параллельное преобразование механической
и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.
К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно
отнести повышение эффективности электролиза, получение наряду с кислородом и
водородом электрической энергии, и утилизацию тепла любого природного или
техногенного происхождения.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство
для преобразования энергии, например, путем электролиза, содержащее вращающуюся
емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и
связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы подвода раствора электролита
в емкость и отвода продуктов электролиза, согласно изобретению, снабжено
теплообменником, электроды или короткозамкнуты между собой или соединены в контур
через потребитель электроэнергии, а емкость установлена с возможностью обеспечения
угловой скорости ее вращения ,
определяемой из следующего математического соотношения:
где qa, qk - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в
стехиометрическом соотношении;
Т - абсолютная температура раствора, К;
 m - разность масс гидратированных катиона
и аниона, кг;
 - линейная концентрация тяжелых ионов, м-1;
= 10(C·N)1/3,
где
C - мольная концентрация раствора, моль · л-1,
N - число Авогадро, моль-1;
h - высота столба раствора, м;
К - степень диссоциации электролита, 10-2%;
R - внутренний радиус емкости, м;
 - температурный коэффициент изменения
энергии гидратной связи, К-1;
 o - абсолютная диэлектрическая
проницаемость, Ф·м-1;
- относительная диэлектрическая
проницаемость воды;
rв - эффективный радиус молекулы воды, м;
ru- эффективный радиус тяжелого иона, м.
Представленная выше математическая зависимость получена в результате эмпирических и
теоретических исследований. Математические выкладки и обоснование этой зависимости
достаточно объемны и, для того чтобы не перегружать материалы настоящей заявки, не
приводятся.
|
На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы различных конструктивных решений
заявленного устройства для преобразования энергии.
Устройство содержит остов 1, на котором на валу 2 установлена вращающаяся емкость 3,
заполненная водным раствором электролита. Емкость 3 связана с приводом вращения (не
показан). Устройство имеет электроды 4 и 5, а также каналы 6, 7 и 8 соответственно для
подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза.
Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные
выполнения его теплообменника. Так, на фиг. 1 изображен, например, трубчатый
теплообменник 9, размещенный в полости емкости 3, а в другом варианте конструктивного
решения, представленного на фиг. 2, функции теплообменника 9 может выполнять корпус
емкости 3.
|
Относительно конструктивного выполнения электродов, уместно сказать, следующее. В
качестве одного электрода 4 может быть использована внутренняя поверхность
вращающейся емкости 3. В качестве второго электрода 5 могут быть использованы различные
конструктивные элементы, размещенные, например, на валу 2 внутри емкости 3. Так на фиг. 1 и
2 электрод 5 конструктивно представлен в виде, например, металлических взаимосвязанных
между собой дисков, установленных на валу 2 с возможностью свободного вращения. В
зависимости от химического состава используемого в устройстве электролита каждый
электрод может выполнять функцию катода или анода.
В одном из конструктивных вариантов устройство может быть, например, снабжено
сепаратором 10. В других же случаях (фиг. 2), например при агрегатировании устройства с
двигателем внутреннего сгорания, нет необходимости осуществлять разделение водорода
и кислорода, поскольку их направляют на последующее сжигание, поэтому сепаратор 10 не
применяют. Кроме того, раствор электролита может выполнять функцию теплоносителя, а
следовательно, внутренний теплообменник 9 также нецелесообразен.
Конструктивные выполнения теплообменника и электродов в предмет настоящего
изобретения не входят.
Электроды 4 и 5 могут быть короткозамкнуты между собой (конструктивно это осуществить
несложно, поэтому в данной заявке это выполнение не приводится; оно не входит в объем
притязаний), или же электроды могут быть соединены, например, скользящим контактом 11, в
контур через потребитель электроэнергии (не показано). Данное соединение технически
многовариантно и не входит в объем испрашиваемой правовой охраны. Следует только иметь
в виду, что соединение в контур через потребителя электроэнергии стало возможным лишь
потому, что в результате работы данного устройства вырабатывается электроэнергия -
отсюда появление потребителя электроэнергии.
В одном из конструктивных выполнений для уменьшения потерь на трение емкости 3 о воздух
она может быть заключена в кожух 12 (в предмет изобретения не входит), образующий
герметичную полость, сообщенную или с системой забора воздуха двигателя внутреннего
сгорания или вакуумным насосом, которые понижают давление газа, а тем самым и силу
трения.
Кроме того, для обеспечения циркуляции раствора электролита диски электрода 5 могут
содержать радиальные каналы, а сами быть кинематически связанными с тормозным
устройством (не показано), обеспечивающим их меньшую частоту вращения по отношению к
емкости 3, что порождает в каналах динамический поток жидкости. Эти конструктивные
решения в предмет изобретения не входят. Что касается математического соотношения,
определяющего ясную скорость вращения :
то, как было отмечено выше, математические выкладки, приведшие к данной зависимости,
достаточно громоздки и приводить их в материалах заявки нецелесообразно.
Устройство для преобразования энергии функционирует следующим образом.
В устройство во вращающуюся емкость 3 через канал 6 подают заранее подготовленный
раствор электролита необходимого объема. При этом его уровень перекрывает электрод 5.
Разгоняют емкость 3 до частоты вращения, определенную для данного устройства по
вышеприведенной формуле. Если указанный параметр будет ниже расчетного (порогового)
значения, то резко снижается эффективность электролиза, связанная с процессом
разложения воды, или он вообще будет неосуществим. При достижении этой частоты
вращения происходит разложение воды на водород и кислород, а в устройстве
обеспечивается дозированное поступление воды или свежего раствора электролита в
емкость 3 по каналу 6 и удаление из нее водорода, кислорода, а также других промежуточных
и конечных продуктов процесса через соответствующие каналы 7 и 8.
В процессе работы данного устройства под действием центробежной силы в емкости 3
создается поле искусственной силы тяжести, в котором катионы и анионы в виде гидратов,
имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы своим
электрическим полем будут воздействовать друг на друга и на периферии раствора на
внутренней поверхности емкости 3, как на одном из электродов, образуется зона с
повышенной концентрацией одноименных ионов, например анионов, то есть отрицательный
пространственный электрический заряд, который индуцирует на внешней поверхности
емкости 3 адекватный заряд (потенциал) из электриков проводимости.
В свою очередь легкие ионы сконцентрируются в области между указанным
пространственным зарядом и электродом 5, образуя свой пространственный заряд (потенциал)
противоположного знака. Расстояние между катионами и анионами в растворе на условной
границе соприкосновения двух пространственных зарядов всегда больше расстояния между
катионами и поверхностью катода, а следовательно, напряженность электрического поля в
последнем случае выше. По этой причине возникшее равновесие будет нарушено и нарушено
именно на электроде 5, если величина его потенциала окажется достаточной для создания
электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов. Тогда
они приблизятся к поверхности электрода 5 и разрядятся. Тяжелые ионы, прижатые
центробежной силой к поверхности другого электрода 4, не могут существовать в растворе
обособленно, поэтому они также отдадут свой заряд электроду 4 и между ними через
скользящий контакт 11 или по короткозамкнутому проводнику потечет постоянный
электрический ток. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а
промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Таким
образом, в заявленном устройстве для преобразования энергии электрический ток
порождается протекающими окислительно-восстановительными химическими реакциями на
электродах, а не наоборот, что имеет место в известном устройстве-прототипе.
Реакции образования молекулярных водорода и кислорода экзотермичны, что указывает на
возможность их самопроизвольного протекании, но только при условии преодоления
энергетического барьера, установленного силами гидратных связей. Этот барьер
разрушается механическим полем искусственной силы тяжести. В соответствии с этим
процесс становится необратимым и получает устойчивый долговременный характер,
поскольку указанное поле постоянно, а на смену разрядившимся (восстановленным) ионам
поступают новые из других слоев раствора. Восстановленные водород и кислород
всплывают к центру емкости 3, при необходимости разделяются сепаратором 10 и удаляются
из нее через соответствующие каналы 7 и 8, отдавая раствору приобретенное ими
количество движения, а тем самым обеспечивая снижение затрат механической энергии на
приводе устройства.
Производительность заявленного устройства по водороду регулируется изменением
частоты вращения емкости 3 или величины омического сопротивления внешней
электрической нагрузки потребителя. При ее минимальном значении, то есть коротком
замыкании (короткозамкнутость электродов), напряжение на электродах будет равно сумме
концентрационной разности потенциалов и электродвижущей силе (ЭДС) центробежного поля,
а если внешнее сопротивление возрастет, то адекватно увеличится напряжение на
электродах и уменьшится ток на нагрузке потребителя. В этом отношении заявленное
устройство существенно отличается от известных электрохимических и электромагнитных
источников тока и преобразователей энергии.
Кроме того, следует отметить также и другие особенности рабочего процесса заявленного
устройства.
Процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов
сопровождается уменьшением энтальпии раствора, в результате чего температура
раствора постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то раствор замерзнет и
процесс прекратится. По этой причине раствор подогревают. В случае, когда приток тепла
недостаточен, температура раствора станет ниже температуры окружающей среды, и
создадутся необходимые условия для поглощения внешнего тепла в режиме
электрохимического теплового насоса. Данное устройство в этом режиме
низкопотенциальную тепловую энергию превращает в высокопотенциальную химическую
энергию восстановленных из воды водорода и кислорода. Это дает возможность после их
сжигания снова получить тепловую энергию, но уже более высокого потенциала, т.е.
максимально сконцентрировать (трансформировать) для использования.
Следует обратить внимание на то, что подведенная к устройству тепловая энергия в
результате совершения механической работы по деформированию гидратных связей ионов в
водном растворе электролита параллельно полностью преобразуется в потенциальную
химическую и электрическую энергии. Его общий КПД существенно больше, чем у прототипа,
и в среднем составляет не менее 0,8. При вышеуказанной угловой скорости вращения
емкости 3 полученная электроэнергия целиком затрачивается на преодоление внутреннего
омического сопротивления самого устройства, а в случае превышения пороговой частоты
избыток подведенной механической энергии порождает уже внешнюю силовую электрическую
энергию (поскольку плотность тока достигает максимального значения или состояния
насыщения, а напряжение неограниченно возрастает), которая, в свою очередь, уже
способна производить работу на потребителе. Тем самым устройство приобретает свойства
термохимического источника (генератора) электрического тока, работающего с побочным
выделением свободных водорода, кислорода и поглощением тепла.
Таким образом, имеет место устройство для преобразования механической и тепловой
энергий в электрическую и химическую энергии.
Конструкция заявленного устройства для преобразования энергии достаточно проста. Оно
изготавливается в условиях как единичного, так и серийного производства с
использованием традиционных конструкционных материалов и известных электролитов.
Обладая высокими удельными показателями, например массовой тепловой мощностью 17-40 кДж·кг-1
раствора, производительностью по водороду 15 - 35 моль · м-2· с-1 электрода и средней
объемной электрической мощностью порядка 2,2 МВт · м-3, это устройство может быть применено, например, в агрегате с ДВС автомобиля,
трактора, тепловоза самолета, морского судна и других транспортных средств, повышая их
топливную экономичность в два раза, с паровыми турбинами тепловых и атомных
электростанций, а также автономном исполнении для утилизации промышленного тепла в
металлургии или природного в сельском хозяйстве.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза,
содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита,
установленную на остове и связанную с приводом вращения, электроды, а также каналы
подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, отличающееся
тем, что устройство снабжено теплообменником, электроды или коротко замкнуты между
собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии, а емкость
установлена с возможностью обеспечения угловой скорости
ее вращения, определяемой из следующего математического соотношения:
где qa, qk - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в
стехиометрическом соотношении;
Т - абсолютная температура раствора, К;
m - разность масс гидратированных
катиона и аниона, кг;
- линейная концентрация тяжелых ионов, м-1,
= 10(С·N)1/3,
где С - мольная концентрация раствора, моль · л-1;
N - число Авогадро, моль-1;
h - высота столба раствора, м;
К - степень диссоциации электролита, 10-2%;
R - внутренний радиус емкости, м;
- температурный коэффициент изменения
энергии гидратной связи, К-1;
0 - абсолютная диэлектрическая
проницаемость, Ф · м-1;
- относительная диэлектрическая
проницаемость воды;
rв - эффективный радиус молекулы воды, м;
ru - эффективный радиус тяжелого иона, м.
Версия для печати
Дата публикации 14.02.2007гг
вверх
|
