Способ получения тепловой энергии и реактор для его осуществления

 

Способ получения тепловой энергии и реактор для его осуществления относятся к способам и устройствам для получения тепловой энергии, образующейся в процессах цепных химических реакций на молекулярно-ионном уровне. Способ получения тепловой энергии, образующейся в результате взаимодействия элементарных частиц обрабатываемого вещества, помещенного в зону активации, включает предварительную добавку в обрабатываемое вещество катализатора с последующим воздействием на обрабатываемое вещество энергией активации во временных интервалах через временные паузы, длительность которых обеспечивает относительно постоянную заданную скорость цепных химических реакций. Реактор для получения тепловой энергии содержит корпус с технологическими патрубками и инициирующее устройство в виде трех электродов, формирующих своими рабочими поверхностями зону активации. Электроды размещены в корпусе реактора по окружности через 120^o параллельно оси корпуса и на одинаковом расстоянии относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса. Рабочая поверхность каждого электрода выполнена в виде V-образного профиля с углом между гранями 120^o, ориентированного своим ребром к продольной оси корпуса реактора параллельно ей. Электроды электрически соединены с источником электрических импульсов. Способ и реактор позволяют получить тепловую энергию экологически чистым путем с низкими по сравнению с наиболее близкими аналогами энергозатратами. 2 с и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Заявляемые изобретения относятся к способам и устройствам для получения тепловой энергии, образующейся в процессах цепных химических реакций на молекулярно-ионном уровне.

Известны способ нагрева воды и электронагреватель (варианты) (патент N 2059165, 6 F 24 H 1/20, опубликованный 27.04.96г. в БИ N 12).

В известном способе тепловую энергию получают электронагревом воды в последовательно соединенных секциях водонагревателя, а регулировку температуры воды осуществляют на выходе путем изменения количества секций, на каждую из которых подают фиксированную электрическую мощность, соответствующую удельному электрическому сопротивлению воды.

Известный и заявляемый способы имеют одно и то же назначение - получение тепловой энергии, однако известный способ получения тепловой энергии требует больших энергетических затрат.

Известный электроводонагреватель содержит корпус с напорным и сливным патрубками и пластинчатые электроды, установленные в корпусе с образованием секций из одной ячейки и лабиринтного канала с противоположными стенками корпуса. В корпусе электроводонагревателя образованы по крайней мере две секции, а сами электроды через один присоединены непосредственно или через выключатель к одной из фаз питающего напряжения, или соседние электроды по меньшей мере одной секции непосредственно присоединены к фазам питающего напряжения.

Известный электроводонагреватель и заявляемый реактор для получения тепловой энергии имеют одно и то же назначение - получение тепловой энергии - и совокупность общих для обоих технических решений существенных признаков, а именно: электроводонагреватель (реактор для получения тепловой энергии); корпус с технологическими патрубками; инициирующее устройство, выполненное в виде электродов.

Однако использование известного электроводонагревателя для получения тепловой энергии связано с большими энергетическими затратами.

Наиболее близким по своей технической сущности и функциональному назначению к заявляемому способу получения тепловой энергии является способ получения энергии, образующейся в результате сильного взаимодействия элементарных частиц (заявка N 93033524/25, 6 F 24 J 3/00, опубликованная 27.12.95г. в БИ N 36), пат. N 2054604 20.02.96.

Способ получения энергии, образующейся в результате сильного взаимодействия элементарных частиц, находящихся в ядрах обрабатываемого вещества, заключается в том, что обрабатываемое вещество в жидкой фазе подают в зону обработки (зону активации) и подвергают его воздействию энергией активации в виде переменного и статического давлений, каждое из которых выбирают из условия соблюдения зависимостей P₁ = от 0,3 до 0,7(P₂+P₃) и P₂ + P₃ - P₁ = от 1,0 до 10, где P₁ - статическое давление в зоне активации (зоне обработки); P₂ - переменное давление в зоне активации (зоне обработки); P₃ - давление насыщенных паров обрабатываемого вещества при температуре обработки; - прочность на разрыв обрабатываемого вещества в жидкой фазе при температуре обработки.

Наиболее близкий к заявляемому способу является способ получения энергии, образующейся в результате сильного взаимодействия элементарных частиц, находящихся в ядрах обрабатываемого вещества, требует больших энергетических затрат и не является экологически чистым.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому реактору для получения тепловой энергии является пульсационный реактор (патент N 2027503, 6 В 01 J 10/00, опубликованный 27.01.95г. в БИ N 3).

Кроме близости по технической сущности оба технических решения связаны между собой и общим назначением. Пульсационный реактор, как наиболее близкий аналог, относится к области устройств для проведения химических способов взаимодействия жидкости с газообразной средой, т.е. в конечном счете к области устройств для проведения химических реакций. Заявляемый реактор для получения тепловой энергии также относится к области устройств для проведения химических реакций, конкретно к устройствам для проведения цепных химических реакций на молекулярно-ионном уровне. В результате химических реакций, осуществляемых в пульсационном реакторе, и в результате цепных химических реакций в заявляемом реакторе выделяется тепловая энергия. Исходя из сказанного, правомерен вывод об общем функциональном назначении заявляемого реактора и его наиболее близкого аналога.

Пульсационный реактор содержит вертикальный цилиндрический корпус с технологическими патрубками, импульсный дозатор, пульсопровод и источник пульсаций давлений. Импульсный дозатор всасывающей стороной соединен с верхней, а нагнетательной - с нижней частями корпуса. Пульсопровод размещен по центру корпуса под его днищем и подключен верхним концом к днищу. Пульсопровод сообщен также с источником пульсаций давления. Источник пульсаций давления выполнен в виде полусферической камеры с установленными в ней двумя электродами, сообщенными с источником электрических импульсов.

Источник пульсаций давления в пульсационном реакторе является инициирующим устройством, т.е. устройством, инициирующим пульсацию давлений.

Использование пульсационного реактора требует также значительных энергозатрат.

Исходя из анализа аналогов, в том числе и ближайших, в основу создания заявляемых изобретений была положена задача разработки способа получения тепловой энергии и реактора для получения тепловой энергии, отличающихся от наиболее близких аналогов низкими, по сравнению с ними, энергозатратами и экологической чистотой.

Поставленная задача реализуется в заявляемом способе получения тепловой энергии, образующейся в результате взаимодействия элементарных частиц обрабатываемого вещества, помещенного в зону активации, при воздействии на него энергией активации, причем в обрабатываемое вещество предварительно вводят катализатор, а затем воздействуют на него энергией активации, при этом в качестве энергии активации используют электрические импульсы, в качестве обрабатываемого вещества - пресную воду, а в качестве катализатора - морскую воду в количестве 0,05 - 0,18 мас.%, причем воздействие на обрабатываемое вещество осуществляют во временных интервалах через временные паузы, обеспечивая скорость взаимодействия частиц согласно условию
где W₀ - предельное значение скорости взаимодействия элементарных частиц (предельное значение скорости цепной реакции на молекулярно-ионном уровне);
e - основание натурального логарифма;
E_а - энергия активации;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура реагирующих компонентов.

Поставленная задача реализуется также в заявляемом реакторе для получения тепловой энергии, включающем корпус с технологическими патрубками и инициирующее устройство, соединенное с источником электрических импульсов. Инициирующее устройство реактора выполнено в виде трех электродов, формирующих своими рабочими поверхностями зону активации. Электроды размещены в корпусе реактора по окружности через 120^o параллельно продольной оси корпуса и на одинаковом расстоянии относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса реактора, а рабочая поверхность каждого электрода выполнена в виде V-образного профиля с углом между гранями 120^o, ориентированного своим ребром к продольной оси реактора параллельно ей. Расстояние между противолежащими рабочими поверхностями смежных электродов равно 17-22 мм.

Заявляемый реактор для получения тепловой энергии предназначен для осуществления заявляемого способа получения тепловой энергии, т.е. заявляемая группа изобретений связана между собой настолько, что они образуют единый изобретательский замысел и соответствуют требованию единства изобретения.

В заявляемом способе получения тепловой энергии общими существенными признаками для него и для его наиболее близкого аналога являются
способ получения энергии (тепловой), образующейся в результате взаимодействия элементарных частиц обрабатываемого вещества;
помещение обрабатываемого вещества в зону активации;
воздействие на обрабатываемое вещество энергией активации.

В заявляемом способе получения тепловой энергии существенными признаками, отличающими его от его наиболее близкого аналога являются
предварительное введение в обрабатываемое вещество катализатора;
последующее воздействие на обрабатываемое вещество энергией активации, которое осуществляют во временных интервалах через временные паузы;
воздействие на обрабатываемое вещество осуществляют, обеспечивая скорость взаимодействия элементарных частиц согласно условию

где W₀ - предельное значение скорости взаимодействия элементарных частиц (предельное значение скорости цепной реакции на молекулярно-ионном уровне);
e - основание натурального логарифма;
E_а - энергия активации;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - температура реагирующих компонентов.

Перечисленная совокупность отличительных существенных признаков заявляемого способа от наиболее близкого его аналога вместе с совокупностью общих существенных признаков заявляемого способа и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение названного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Дополнительной совокупностью существенных признаков заявляемого способа получения тепловой энергии, отличающей его от наиболее близкого его аналога, но характеризующей заявляемый способ лишь в конкретном случае его выполнения, является
использование в качестве обрабатываемого вещества пресной воды;
использование в качестве катализатора морской воды, добавляемой в количестве 0,05 - 0,18 мас.%;
использование в качестве энергии активации электрических импульсов.

Перечисленная дополнительная совокупность отличительных существенных признаков вместе с совокупностью необходимых и достаточных существенных признаков, обеспечивающей получение технического результата во всех случаях выполнения способа, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризуют заявляемый способ получения тепловой энергии в одной конкретной форме его выполнения, т.е. в частном случае.

В заявляемом реакторе для получения тепловой энергии общими существенными признаками для него и для его наиболее близкого аналога являются
реактор для получения тепловой энергии;
корпус реактора;
технологические патрубки;
инициирующее устройство;
соединение инициирующего устройства с источником электрических импульсов.

В заявляемом реакторе для получения тепловой энергии существенными признаками, отличающими его от наиболее близкого его аналога, являются
выполнение инициирующего устройства в виде трех электродов;
формирование зоны активации между рабочими поверхностями электродов;
размещение электродов в корпусе реактора по окружности через 120^o параллельно продольной оси корпуса и на одинаковом расстоянии относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса реактора;
выполнение рабочей поверхности каждого электрода в виде V-образного профиля с углом между гранями 120^o, ориентированного своим ребром к продольной оси реактора параллельно ей.

Перечисленная совокупность отличительных существенных признаков заявляемого реактора от наиболее близкого его аналога вместе с совокупностью общих существенных признаков заявляемого реактора и наиболее близкого его аналога обеспечивают получение названного выше технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.

Дополнительным существенным признаком заявляемого реактора для получения тепловой энергии, отличающим его от наиболее близкого его аналога, но характеризующим заявляемый реактор лишь в конкретном случае его выполнения, является выполнение расстояния между противолежащими рабочими поверхностями смежных электродов в пределах от 17 до 22 мм.

Дополнительный отличительный существенный признак вместе с совокупностью необходимых и достаточных существенных признаков, обеспечивающей получение технического результата во всех случаях выполнения реактора, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны, характеризует заявляемый реактор для получения тепловой энергии в одной конкретной форме его выполнения, т.е. в частном случае.

Заявляемый способ получения тепловой энергии основан на управляемой цепной химической реакции, осуществляемой на молекулярно-ионном уровне в заявляемом реакторе для получения тепловой энергии.

Заявляемый способ получения тепловой энергии был реализован в изображенном на чертеже реакторе для получения тепловой энергии.

В качестве обрабатываемого вещества использовали пресную воду в объеме 29,3 литра. Реактор подключали к теплообменнику и всю систему заполняли пресной водой. В пресную воду предварительно вводили в качестве катализатора 50 грамм (0,1706 мас.%) морской воды, а затем воздействовали на пресную воду электрическими импульсами.

В качестве источника электрических импульсов использовали источник переменного тока напряжением 380 В с частотой 50 Гц.

После подачи электрических импульсов на электроды реактора температура обрабатываемой воды за 26 минут 12 секунд поднялась с 15^oC до 100^oC. При достижении температуры воды 100^oC реактор отключили.

Для обеспечения стабильности цепного реакционного процесса на определенном уровне, т.е. для обеспечения определенной постоянной скорости цепных взаимодействий химически активных частиц, последующие подключения реактора к источнику переменного тока осуществляли автоматически через каждые 40 минут 23 секунды на 15 минут 10 секунд.

В течение всего времени экспериментальной проверки (78 часов 30 минут) температура воды составляла 80^oC 3,1^oC.

Заявляемый реактор был реализован в конкретном варианте, изображенном на чертеже.

На фиг.1 показан реактор (вид спереди, продольный разрез).

На фиг.2 показан тот же реактор (вид сверху, разрез по А-А).

Реактор для получения тепловой энергии содержит корпус 1 с патрубком подвода воды 2 и патрубком отвода воды 3 и инициирующее устройство в виде трех электродов 4. Рабочая поверхность 5 каждого электрода выполнена в виде V-образного профиля с углом между гранями 120^o, ориентированного своим ребром к продольной оси реактора параллельно ей. Электроды размещены в реакторе на несущей плате 6 через 120^o и изолированы от корпуса реактора изоляторами 7. Соединение электродов с источником электрических импульсов осуществляют с помощью клемм 8. В верхней части корпуса реактора установлен дозатор 9.

Работает реактор для получения тепловой энергии следующим образом.

К патрубкам подвода воды 2 и отвода воды 3 подключают теплообменник и заполняют всю систему, в том числе и реактор, пресной водой. При разомкнутой электрической цепи (включатель цепи разомкнут) реактор посредством клемм 8 соединяют с источником переменного тока напряжением 380 В. С помощью дозатора 9 в пресную воду между рабочими поверхностями 5 электродов в качестве каталитической добавки добавляют морскую воду в количестве 0,05-0,18 мас.%. Меньшее чем 0,05 мас.% количество морской воды значительно увеличивает время разгона реактора. Большее чем 0,18 мас. % количество морской воды резко сокращает время разгона реактора, но, значительно увеличивая скорость цепной реакции, затрудняет управление ею. Реактор готов к запуску. При подаче напряжения на клеммы 8 в реакторе возбуждается цепная химическая реакция на молекулярно-ионном уровне, в результате которой выделяется значительное количество тепловой энергии. Развитие цепной реакции осуществляется по схеме
1. H₂ = H + H
2. H + O₂ = OH + O
3. OH + H₂ = H₂О + H
4. O + H₂ = OH + H
Образование в стадиях зарождения и продолжение цепи приводит к самоускоряющемуся лавинообразному процессу. Поддержание относительно постоянной скорости возбужденной цепной химической реакции осуществляется за счет подачи рабочего напряжения на электроды 4 во временных интервалах через временные паузы. Временные интервалы подачи напряжения на электроды и временные паузы зависят от множества факторов. В данном конкретном примере конструктивного выполнения реактора для поддержания температуры воды на выходе из реактора 80^o С временные интервалы включения реактора составили 15 минут 10 секунд, а временные паузы - 40 минут 23 секунды.

Управляемые цепные химические реакции на молекулярно-ионном уровне основаны на широко распространенном в природе материале (например, воде), в доступном диапазоне температур (100^oC - 1000^oC) и не требуют каких-либо специальных условий для обеспечения безопасности и экологической чистоты.

Благодаря объемному характеру процесса таких цепных реакций эффективность теплоотдачи в них в несколько десятков раз превышает эффективность теплоотдачи существующих нагревательных систем, использующих поверхностный способ передачи тепла (например, тэны и т.п.).

Заявляемые способ получения тепловой энергии и реактор для его осуществления обеспечивают широкое использование их в различных тепловых системах объектов промышленного и бытового назначения.

Формула изобретения

1. Способ получения тепловой энергии, образующейся в результате взаимодействия элементарных частиц обрабатываемого вещества, помещенного в зону активации, при воздействии на него энергией активации, отличающийся тем, что в обрабатываемое вещество предварительно вводят катализатор, а затем воздействуют на него энергией активации во временных интервалах через временные паузы, обеспечивая скорость взаимодействия элементарных частиц согласно условию

где W₀ - предельное значение скорости взаимодействия элементарных частиц (предельное значение скорости цепной реакции на молекулярно-ионном уровне);
e - основание натурального логарифма;
E_a - энергия активации;
R - универсальная газовая постоянная;
T - температура реагирующих компонентов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве обрабатываемого вещества используют пресную воду, а в качестве катализатора - морскую воду в количестве 0,05 - 0,18 мас.%.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве энергии активации используют электрические импульсы.

4. Реактор для получения тепловой энергии, включающий корпус с технологическими патрубками и инициирующее устройство, соединенное с источником электрических импульсов, отличающийся тем, что инициирующее устройство выполнено в виде трех электродов, формирующих своими рабочими поверхностями зону активации, при этом электроды размещены в корпусе реактора по окружности через 120^o параллельно продольной оси корпуса и на одинаковом расстоянии относительно плоскости, перпендикулярной продольной оси корпуса реактора, причем рабочая поверхность каждого электрода выполнена в виде V-образного профиля с углом между гранями 120^o, ориентированного своим ребром к продольной оси реактора параллельно ей.

5. Реактор по п.4, отличающийся тем, что расстояние между противолежащими рабочими поверхностями смежных электродов равно 17 - 22 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2