Изобретение: Генератор тепла и электричества

[Basargin]

Идея относится к сквозным технологиям НТИ, в частности, к новым портативным источникам энергии.

Область техники

Полезная модель относится к энергетике, конкретно к источникам тепловой и электрической энергии, использующим воду в качестве рабочего вещества.

В последние годы в мире резко возрос интерес к источникам /Источники энергии на воде.; Chemists develop technology to produce clean-burning hydrogen fuel /, July 14, 2014./ тепловой и электрической энергии, использующим воду (H2O) в качестве рабочего вещества для получения горючих веществ (водорода, кислорода и их смеси в виде газа Брауна) взамен или в дополнение к углеводородному горючему.

Это связано не только с истощением в природе углеводородных источников сырья и ростом стоимости их добычи, но и с тем, что вода является высококонцентрированным широко распространенным и доступным в природе источником горючих веществ - водорода и кислорода. Согласно /Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова, т. 5, М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. с. 81./ один литр воды H2O содержит около 1800 литров водорода с удельной теплотой сгорания Q=10,7⋅108кДж/л (1.21⋅108Дж/кг) /3/. Для сравнения /Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: «Высшая школа», 1969, с. 74-75./ удельная теплота сгорания торфа составляет 8.1⋅106Дж/кг, бытового газа - 13.25⋅106Дж/кг, бензина - 44⋅106Дж/кг, ядерного топлива 824⋅1011Дж/кг.

Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива, меньше габариты камеры сгорания источника электрической энергии и его габариты в целом при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) источника энергии.

Разрыв молекулярных связей водорода и кислорода в воде, разложение (катализ) ее на горючие составляющие и выделение водорода требуют существенных энергетических затрат. Однако применение химических, твердотельных, электролитических, электродуговых, электромагнитных катализаторов и их комбинаций позволяет снизить /Основные результаты научных исследований института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН за 2011, г. Новосибирск. Каталитический бюллетень. №1 (67), 2012.; Ostwald W. Elektrochtmie. Ihre Geschichte und Lere, Lpz., 1898.; В.Д. Русанов, А.И. Бабарицкий, М.Б. Бибиков, Е.Н. Герасимов, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Р.В. Смирнов. Свойства каталитически активного импульсного микроволнового разряда атмосферного давления», ДАН, 2001, т. 377, №6.; А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, В.Д. Русанов, Е.И. Рязанцев, Р.В. Смирнов, Г.В. Шолин Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 36-41.; Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды. Akihiko Kudo, Hideki Katol and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), No. 12 p. 1534.; CHUKANOV KIRIL B, Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 6936971, 2003-05-22.; CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use ofenergizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16./ затраты на катализ воды до приемлемых значений и, следовательно, синтезировать из воды водородное топливо, существенно превышающее по теплотворной способности существующие виды углеводородного топлива. Это в свою очередь позволяет обеспечить местным электропитанием и теплоснабжением объекты сельскохозяйственного, промышленного и военного назначения удаленных территорий, а также исключить необходимость доставки и хранения на этих территориях огромных запасов углеводородного топлива.

Уровень техники

Известны водяные источники электрической, тепловой и механической энергии /Молекулярный источник электрической энергии. RU 2013117049, 2014.11.20; Тепловая электростанция. RU 144307, 2014.08.20; Плазменный источник энергии. RU 2485727, 2013.01.10; Генератор шаровой молнии. RU 132664, 2013.09.20; Технологическая линия по производству электричества. RU 132641, 2013.09.20; Газовый реактор, RU 2408418, 2011.01.10; Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, 2010.02.10; Гибридный автомобиль. RU 2481969. 2012.11.27; Электрический водородный генератор. US 4613304, 1986.09.23; Электрический генератор. RU 2003107555 А, 2004.09.27; Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной. RU 64699. 10.07.2007; Водородный генератор электрической энергии. RU 2596605, 10.09.2016; Электролитический мотор. RU 2531006, 2014.10.20; Установка по производству компримированного водорода, электроэнергии, тепла и гидроксидов алюминия. RU 136427, 10.01.2014/, использующие воду в качестве рабочего тела и основанные на катализе (разложении) воды на горючие составляющие с последующим преобразованием их энергии в химической реакции горения в тепловую энергию и затем - тепловой энергии в механическую и электрическую энергию через электродинамическое или электромеханическое преобразование. При этом согласно /Основные результаты научных исследований института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН за 2011, г. Новосибирск. Каталитический бюллетень. №1 (67), 2012.; Ostwald W. Elektrochtmie. Ihre Geschichte und Lere, Lpz., 1898.; В.Д. Русанов, А.И. Бабарицкий, М.Б. Бибиков, Е.Н. Герасимов, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Р.В. Смирнов. Свойства каталитически активного импульсного микроволнового разряда атмосферного давления», ДАН, 2001, т. 377, №6.; А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, В.Д. Русанов, Е.И. Рязанцев, Р.В. Смирнов, Г.В. Шолин Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 36-41.; Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды. Akihiko Kudo, Hideki Katol and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol. 33 (2004), No. 12 p. 1534.; CHUKANOV KIRIL B, Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 6936971, 2003-05-22.; CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use ofenergizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16.; Молекулярный источник электрической энергии. RU 2013117049, 2014.11.20; Тепловая электростанция. RU 144307, 2014.08.20; Плазменный источник энергии. RU 2485727, 2013.01.10; Генератор шаровой молнии. RU 132664, 2013.09.20; Технологическая линия по производству электричества. RU 132641, 2013.09.20; Газовый реактор, RU 2408418, 2011.01.10; Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, 2010.02.10; Гибридный автомобиль. RU 2481969. 2012.11.27; Электрический водородный генератор. US 4613304, 1986.09.23; Электрический генератор. RU 2003107555 А, 2004.09.27; Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной. RU 64699. 10.07.2007; Водородный генератор электрической энергии. RU 2596605, 10.09.2016/ проблем производства из воды водорода в необходимых количествах не существует. Существует проблема его использования в теплотехнике и транспорте, связанная с взрывоопасностью накопленного водорода и повышенной температурой его горения.

Общим недостатком указанных /Молекулярный источник электрической энергии. RU 2013117049, 2014.11.20; Тепловая электростанция. RU 144307, 2014.08.20; Плазменный источник энергии. RU 2485727, 2013.01.10; Генератор шаровой молнии. RU 132664, 2013.09.20; Технологическая линия по производству электричества. RU 132641, 2013.09.20; Газовый реактор, RU 2408418, 2011.01.10; Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, 2010.02.10; Гибридный автомобиль. RU 2481969. 2012.11.27; Электрический водородный генератор. US 4613304, 1986.09.23; Электрический генератор. RU 2003107555 А, 2004.09.27; Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной. RU 64699. 10.07.2007; Водородный генератор электрической энергии. RU 2596605, 10.09.2016/ источников энергии является проблема хранения и применения водорода для производства тепловой, механической и/или электрической энергии.

Проблема хранения водорода связана с его высокой химической активностью. Время жизни водорода при контакте с металлами и атмосферным воздухом не превышает единиц-десятков минут. В связи с этим для получения тепловой энергии и последующих видов энергии водород желательно сжигать сразу (не накапливая взрыворазрушающих объемов) после разложения воды на водород и кислород. Кроме того, из-за малого объема и негорючести воды хранить и транспортировать концентрированное топливо Н2О гораздо удобнее и безопаснее, чем 1800 литров водорода, синтезированного из 1 литра воды.

Проблема применения водорода для производства тепловой, механической и/или электрической энергии связана с повышенной температурой его горения, перегревом и оплавлением водородной горелки, а также с использованием воды для ее охлаждения и отбора тепла. Использование воды для охлаждения и отбора тепла у водородной горелки проблематично из-за наличия экзотермической реакции горения водорода в воде, а также невозможность использования воды в качестве охлаждающей и теплообменной жидкости из-за низкой (100°C) температуры ее кипения по сравнению с температурой водородной горелки (≈1700°C).

Желательно создание мобильного водяного источника энергии для производства электричества, пара и горячей воды для мобильной системы отопления и горячего водоснабжения, лишенного указанных выше водородных проблем.

Таких источников энергии в известном уровне техники не обнаружено.

Задачей полезной модели является создание генератора тепла и электричества для мобильных систем электроснабжения, отопления и горячего водоснабжения полевых госпиталей, бань и пунктов санитарной обработки личного состава мобильных подразделений войсковых частей в условиях дефицита углеводородного топлива.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение зависимости электроснабжения, отопления и горячего водоснабжения мобильных подразделений войсковых частей от углеводородного топлива и от магистральных линий электропередач и теплоснабжения.



Доказательство достижения заявленного технического результата

Последовательная установка генератора 9 водорода, парогенератора 10 и паровой турбины 11, вал вращения которой через кинематическое звено 12 соединен с валом вращения электромеханического генератора 13 постоянного тока, позволяют последовательно получить из воды водород, Далее за счет экзотермической реакции горения водорода в воде парогенератора 10 получить пар с повышенной кинетической энергией для вращения турбины, установленной в ускорительном сопле 15 парогенератора 10. Соединение вала турбины 11 через кинематическое звено 12 с приводным валом генератора тока 13 позволяет последнему преобразовать механическую энергию вращения вала в электрическую энергию. Соединение генератора тока 13 с выходной электрической шиной 8 позволяет обеспечить электропитанием аппаратуру потребителя электроэнергии, подключенного к шине 8. При снижении нагрузки на шину 8, например, при отключении части освещения электропотребителя, излишки электричества с выхода генератора 13 передаются на шину 7 и через нее на емкостной накопитель, подключенный к шине 7. Накопленная энергия в съемном емкостном накопителе позволяет обеспечить запуск водяного источника тепловой и электрической энергии при смене его местоположения.

Установка муфты 6 на свободном конце сопла 15 парогенератора позволяет обеспечить возможность подключения соответствующих рукавов передачи пара внешнему потребителю пара, например, бане или кабине санитарной обработки белья и медицинских инструментов.

Установка парогенератора 10 и горелки 14 в герметичном корпусе, заполненном высокотемпературным литиевым теплоносителем 19, позволяет исключить возможность закипание теплоносителя и использовать его в качестве охладителя 18. Соединение охладителя 18 с теплообменником 20 по литиевому теплоносителю 19 циркуляционные патрубки 23, циркуляционный насос 21, дозатор 22 теплоносителя 19, а также установка в теплообменнике 20 трех трубчатых нагревателей воды позволяет с одной стороны исключить перегрев водородной горелки 14 и парогенератора 10 и поддерживать их температуру в допустимых пределах, а с другой - использовать излишки их тепловой энергии для нагрева воды в трех трубчатых нагревателях, установленных в теплообменнике 20.

Нагрев воды в первом нагревателе 24, соединенного по выходу с входом генератора водорода 9 и через соответствующий дозатор 17 с полостью парогенератора 10, позволяет обеспечить инициализацию экзотермической реакции выделения водорода в реакторе 9.2 генератора водорода 9 и повысить энергию пара в парогенераторе 10.

Соединение нагревателя 25 по горячей воде с муфтой 3 подключения трубопровода системы горячего водоснабжения, а также соединение нагревателя 25 с муфтами 4, 5 подключения трубопроводов по прямой и обратной воде, позволяет использовать тепловую энергию охладителя 11 для обеспечения тепловой энергией внешней системы отопления и горячего водоснабжения, подключенной к указанным муфтам.

При этом отбор тепла от горелки 14 и парогенератора 10 с помощью охладителя, использующего жидкий литий в отличие от /CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use ofenergizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16.; Молекулярный источник электрической энергии. RU 2013117049, 2014.11.20; Тепловая электростанция. RU 144307, 2014.08.20; Плазменный источник энергии. RU 2485727, 2013.01.10; Генератор шаровой молнии. RU 132664, 2013.09.20; Технологическая линия по производству электричества. RU 132641, 2013.09.20; Газовый реактор, RU 2408418, 2011.01.10; Газовый реактор с СВЧ-возбуждением. RU 91498, 2010.02.10; Гибридный автомобиль. RU 2481969. 2012.11.27; Электрический водородный генератор. US 4613304, 1986.09.23; Электрический генератор. RU 2003107555 А, 2004.09.27; Электрогенерирующее устройство с высокотемпературной паровой турбиной. RU 64699. 10.07.2007; Водородный генератор электрической энергии. RU 2596605, 10.09.2016/, дополнительно позволяет повысить коэффициент полезного действия предложенного источника энергии за счет уменьшения потерь энергии сжигаемого водорода.

В свою очередь, охлаждение водородной горелки позволило уменьшить вероятность перегрева и оплавления горелки и, тем самым, увеличить надежность и время работы горелки и всего источника энергии в целом. Для примера время работы водородной горелки Горыныч /Руководство по эксплуатации прибора Горыныч. tiu.ru›Svarochnyj-apparat-gorynych.html. 13.12.2014./ не превышает 10 минут. Повторное ее включение возможно после ее естественного охлаждения, но не ранее 30 минут.

Сжигание водорода в изобретении в процессе его генерации, как и в /Руководство по эксплуатации прибора Горыныч. tiu.ru›Svarochnyj-apparat-gorynych.html. 13.12.2014./, позволяет исключить необходимость создания, хранения и транспортировки взрыворазрушительных объемов водорода.

В целом указанные технические преимущества заявленной полезной модели позволяют создать мобильный взрывобезопасный источник энергии с повышенным КПД и увеличенным временем непрерывной работы для производства из воды электричества, пара и горячей воды.

За счет этого уменьшилась зависимость электроснабжения, отопления и горячего водоснабжения потребителей тепла и электричества, удаленных от магистральных линий электропередач и теплоснабжения, и обеспечилось достижение заявленного технического результата.

Промышленная применимость

Полезная модель разработана на уровне технического проекта, математического моделирования и исследования физики процесса генерации водорода, тепла, пара и электричества применительно к мобильным подразделениям войсковых частей в условиях дефицита углеводородного топлива для полевых госпиталей, бань и пунктов санитарной обработки личного состава, дезинфекции и дегазации имущества и военной техники.

Исследования показали, что генерация и одновременное сжигание водорода во взрывобезопасных объемах позволяет исключить необходимость создания, хранения и транспортировки взрывоопасных объемов водорода. Такое безопасное сжигание водорода и исключение необходимости его хранения и транспортировки стало возможным благодаря увеличенному времени непрерывной работы водородной горелки путем литиевого ее охлаждения. В свою очередь, литиевое охлаждение горелки позволило использовать ранее теряемое тепло горелки для нагрева воды во вторичном контуре теплообмена между литием и водой для системы отопления и горячего водоснабжения.

Указанные технические преимущества предложенного генератора тепла и электричества позволяют уменьшить зависимость электроснабжения, отопления и горячего водоснабжения мобильных подразделений войсковых частей от углеводородного топлива и от магистральных линий электропередач и теплоснабжения.

Полезная Модель RU 196071 разработана на уровне технического предложения и является следствием изобретений WO 2010123391, 20.04.2009; в основе открытия 2008 года, представленного в 2009 году на всероссийском молодежном форуме Селигер 2009 в "Зворыкинском проекте":

(Звонов А.А., Басаргин О.С. Явление самовозгорания воздушной среды под действием электрического разряда и СВЧ-излучения в ограниченном объеме. Свидетельство о депонировании №08-08. Тверь, ВАО, 2008)

Авторы: К.Т.Н., С.Н.С., академик МААНОИ Звонов Александр Александрович; Член-корреспондент МААНОИ Басаргин Олег Сергеевич.

Формула открытия:

Установлено неизвестное ранее явление возгорания воздуха при нормальном атмосферном давлении с выделением кинетической энергии, превышающей энергию на поджиг воздуха, заключающееся в том, что при одновременном воздействии электрического разряда и СВЧ излучения на воздух, заключенный в изолированном от внешней среды объеме, происходит высвобождение собственной энергии молекул и атомов воздуха, обусловленное образованием слабо ионизированной электронной плазмы, резонансной накачкой энергии образованных электронов СВЧ – полем до момента запуска процесса лавинной автоионизации воздуха в условиях закрытия доступа нейтральных атомов и молекул воздуха из внешней среды в зону ионизации.



Мы как авторы открытия и изобретения можем создать аналог устройства. Сделать его эффективнее и дешевле в изготовлении, а также, упростить технологический процесс.
Приглашаем заинтересованных лиц к организации опытного производства.