Способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы

 

Изобретение относится к энергетике, силовым установкам и двигателям, работающим на горячих газах. Достигаемый технический результат - повышение КПД данных установок и двигателей, решение вопросов экологической чистоты перспективных энергетических установок. Всасывание рабочей среды осуществляется в три этапа: сначала при движении поршня от ВМТ через всасывающий клапан из окружающей среды в цилиндр двигателя засасывается воздух, затем воздух расширяется, а на третьем этапе одновременно подается дополнительная порция воздуха и насыщенная катализатором вода, предварительно обработанная в устройстве кавитации для образования кавитационных пузырьков. При движении от НМТ поршень сжимает двухкомпонентную рабочую среду, что приводит к "схлопыванию" навигационных пузырьков с выделением теплоты. Для дальнейшего повышения энергии рабочей среды на такте расширения при движении поршня вниз от ВМТ производят электрический разряд между электродами. Выделившиеся теплота и давление от парообразования реализуются в механическую работу при расширении рабочей среды. 1 ил.

Изобретение относится к энергетике, силовым установкам и двигателям, работающим на горячих газах, и энергоустановкам, использующим теплоту взаимодействий элементарных частиц.

Известны способы получения полезной механической энергии, включающие в себя процессы всасывания рабочей среды, ее сжатия, нагрева и расширения. Нагрев рабочей среды в них осуществляют как за счет непосредственного горения топлива (химической энергии топлива), так и за счет внешней передачи теплоты, когда продукты горения топлива не контактируют с рабочей средой. Данные способы могут быть реализованы как в поршневых, так и в газотурбинных двигателях (Стационарные газотурбинные установки. Справочник под ред. Л. В. Арсеньева. - Л. : "Машиностроение", 1989. - стр. 15). Однако, как правило, для нагрева рабочей среды используется дорогостоящее органическое топливо, а продукты сгорания оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

Известны паровые энергоустановки, в которых энергию перегретого пара используют для получения полезной механической работы (А. В. Чечеткин, Н. А. Занемонец. Теплотехника. Учеб. Для спец. Вузов. - М. : Высшая школа, 1986. - С. 301-302). Однако для получения пара используются традиционные виды топлива и технологии, не отвечающие современным требованиям ресурсосбережения и экологии.

Известен способ повышения энергии рабочей среды в атомных реакторах путем распада, например, урана-235 на элементарные частицы с образованием радиоактивных изотопов (Т. Х. Маргулова Атомные электрические станции. -М. : Высшая школа, 1978. -360 с. ). Однако такой способ экологически опасен для всего живого на Земле.

Известен способ преобразования теплоты в механическую работу, заключающийся в использовании энергии расширения двухкомпонентного рабочего тела: газообразного и предварительно нагретого жидкостного, и силовая установка для его осуществления (патент РФ 2075599, F 01 К 21/00. Бюл. 8 от 20.03.97). Однако для нагревания жидкостного компонента используют теплоту сгорания топлива.

Известно явление ионизации (холодной плазмохимии), при которой с атомов кислорода, азота, аргона и других газов слетают верхние электронные оболочки, образуются ионы и другие активные частицы. Условие для возникновения ионизации определяется температурой около 3000^oС и может быть создано за счет электровозбуждающего импульса (журнал "Промышленный вестник", 9,1999, стр. 19).

Известен способ обработки топлива двигателей внутреннего сгорания путем введения в него воды, снижения давления в смеси до образования кавитационных пузырьков и повышения давления для их схлопывания. Устройство кавитации для получения кавитационных пузырьков конструктивно представляет собой специально спрофилированные сужения и расширения (авторское свидетельство 1254191, F 02 М 27/00. Бюл. 32 от 30.08.86). Однако для получения полезной механической энергии в данных двигателях используется дорогостоящее органическое топливо.

Известен способ получения тепловой энергии на основе ядерных реакций, возникающих при схлопывании кавитационных пузырьков воды. Кавитационные пузырьки в жидкости создаются за счет периодически изменяющегося давления в устройстве кавитации, в качестве которого используют "ультразвуковой активатор". В момент "схлопывания" пузырьков их стенки под действием разности давлений ускоряются, приобретают кинетическую энергию и сталкиваются в центре. Величина приобретенной и сконцентрированной в микрозоне энергии оказывается достаточной для разрыва части связей между атомами в молекулах и нуклонами в атомах и осуществления их частичного распада на элементарные частицы, содержащиеся в обрабатываемом веществе. В результате в локальной области вещества в момент исчезновения навигационного пузырька (схлопывания) происходит ядерная реакция с выделением большого количества тепловой энергии (патент РФ 2054604, F 24 J 3/00. Бюл. 5 от 20.02.96). Однако выделяющаяся тепловая энергия является низкопотенциальной, что ограничивает возможность ее использования для получения полезной работы. Кроме того, требуется обязательное жидкое состояния вещества (рабочей среды).

Известен способ повышения энергии рабочей среды, заключающийся в воздействии на кавитационную воду катализатора, например инертного газа аргона, усиливающего сонолюминисценцию воды в 30 раз (М. А. Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. - М. : Химия, 1986. - 288 с. ). Однако абсолютный уровень энергии в данном способе незначительный.

Известен способ повышения энергии рабочей среды для совершения полезной работы, заключающийся во всасывании рабочей среды, ее сжатии, пропускании через сжатую рабочую среду электровозбуждающего импульса (электрической дуги или лазерного луча) с повышением энергии рабочей среды и расширении этой рабочей среды с получением полезной работы. Для реализации данного способа поршневая машина снабжена цилиндром, в верхней части которого расположены впускной и выпускной клапаны и электроды, связанные с генератором электрической энергии электрическими цепями, а также поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение в цилиндре (заявка Великобритании 2241746, F 02 G 1/02. Реферативный журнал "Изобретения стран мира", выпуск 65, 5, 1993, стр. 22). Однако для ионизации и получения избыточной энергии в рабочей среде (воздухе) необходим достаточно мощный генератор электрической энергии.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения на основе предлагаемого способа повышения энергии рабочей среды, заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) силовых установок и двигателей, работающих на горячих газах и парах, и энергоустановок, использующих энергию взаимодействия элементарных частиц, решении вопросов экологической чистоты перспективных энергетических установок, за счет исключения использования традиционного органического и ядерного топлива, а также в исключении опасной радиации при течении ядерных реакций путем организации частичного распада вещества без изменения химических свойств его атомов, которые рекомбинируют в продукты реакции без остатка и образования радиоактивных веществ, и восстановление (малого) дефекта массы рабочей среды в естественных природных условиях.

Для достижения данного технического результата в предлагаемом способе повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы, заключающемся во всасывании рабочей среды, ее сжатии, пропускании через рабочую среду электровозбуждающего импульса, расширении рабочей среды с получением полезной работы, используют двухкомпонентную рабочую среду, состоящую из газовой части (воздуха) и жидкостной части (вода), при этом всасывание осуществляют в цилиндре поршневой машины путем движения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) в три этапа, в первом из них подают начальную порцию воздуха, во второй расширяют данную порцию воздуха до низкого давления, в третий подают дополнительную порцию воздуха одновременно с водой, причем воду предварительно обрабатывают в устройстве кавитации с образованием навигационных пузырьков и насыщают катализатором, затем производят сжатие рабочей среды путем движения поршня от НМТ к ВМТ, приводящее к "схлопыванию" кавитационных пузырьков и нагреву рабочей среды, после этого на такте расширения (после перехода поршнем ВМТ) через рабочую среду пропускают электровозбуждающий импульс, обеспечивая повышение энергии рабочей среды за счет парообразования жидкостной части и ионизации рабочей среды, подготовленную двухкомпонентную рабочую среду расширяют в цилиндре поршневой машины путем движения поршня от ВМТ к НМТ с получением полезной работы, затем отработанную рабочую среду выпускают в атмосферу путем движения поршня от НМТ к ВМТ.

Введение в предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы двухкомпонентной рабочей среды, состоящей из воздуха и воды, которая предварительно обрабатывается в устройстве кавитации с получением кавитационных пузырьков и насыщается катализатором, деление процесса всасывания на три этапа подачи рабочей среды, а также "схлопывание" навигационных пузырьков в процессе сжатия рабочей среды с последующим пропусканием через эту среду электровозбуждающего импульса, позволяет получить новое свойство, заключающееся в комбинированном использовании явлений повышения энергии кавитации жидкости путем добавления катализатора, "схлопывания" кавитационных пузырьков и ионизации двухкомпонентной среды посредством электровозбуждающего импульса, обеспечивающих, в целом, повышение энергии рабочей среды путем увеличения давления рабочей среды за счет парообразования жидкостной части и увеличения количества выделяемой теплоты за счет протекания ядерных реакций в рабочей среде в более широком интервале времени от начала "схлопывания" кавитационных пузырьков до момента электровозбуждающего импульса.

Предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы может быть осуществлен в любой энергоустановке, например в поршневом двигателе.

На чертеже изображена схема фрагмента поршневой машины, реализующей предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы.

Поршневая машина для преобразования теплоты в механическую работу, реализующая предлагаемый способ, содержит цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2, выполненный с полусферическим углублением 3 в центре верхней торцевой части. Цилиндр 1 поршневой машины в верхней торцевой части снабжен впускным 4 и выпускным 5 клапанами, а также электродами 6 и 7, связанными электрическими цепями 8 и 9 с генератором электрической энергии 10. Цилиндр 1 в боковой поверхности верхней части снабжен форсункой 11, связанной с линией подачи воды 12 через устройство кавитации 13. Электроды 6 и 7 установлены в цилиндре 1 с помощью втулок 14 и 15, выполненных из изолирующего материала.

Предлагаемый способ реализуется в описанной поршневой машине следующим образом.

Такт всасывания рабочей среды осуществляют в три этапа. Первый этап начинают движением поршня 2 вниз от ВМТ. При этом через открытый всасывающий клапан 4 из окружающей среды в цилиндр 1 засасывается воздух (газовая часть рабочей среды). При прохождении примерно третьей части полного хода поршня 2 (от верхней до нижней мертвой точки) прекращается подача воздуха, закрывается клапан 4 и начинается второй этап - расширение воздуха, при этом поршень 2 проходит примерно 2/3 полного хода (от ВМТ до НМТ). На третьем этапе всасывания одновременно подают через клапан 4 дополнительную порции воздуха из окружающей среды и впрыскивают воду в цилиндр 1 через форсунку 11, при этом воду из линии 12 предварительно обрабатывают в устройстве кавитации 13, в результате чего в ней образуются кавитационные пузырьки, и насыщают катализатором (например, аргоном). Предварительное расширение воздуха (второй этап) и катализатор усиливают эффект кавитации подаваемой в цилиндр 1 воды. Третий этап характеризуется образованием двухкомпонентной рабочей среды, состоящей из газовой (воздух) и жидкостной (вода) частей с кавитационными пузырьками.

При достижении НМТ поршень 2 двигают вверх к ВМТ, начиная процесс сжатия двухкомпонентной рабочей среды. За счет увеличения давления, при движении поршня 2 к ВМТ, в рабочей среде происходит "схлопывание" кавитационных пузырьков, что приводит к частичному разрушению молекул и атомов рабочей среды, началу ядерных реакций с выделением теплоты, а как следствие, повышению энергии рабочей среды. Для дальнейшего повышения энергии рабочей среды на такте расширения при движении поршня 2 вниз верхней мертвой точки, производят электрический разряд между электродами 6 и 7, связанных электрическими цепями 8 и 9 с генератором электрической энергии 10. Электрический разряд приводит к парообразованию жидкостной части и дополнительной ядерной реакции, что в целом резко повышает энергию рабочей среды. Электрический разряд происходит в области полусферического углубления 3 поршня 2, что обуславливает образование сплошной зоны ядерной реакции.

Выделившуюся теплоту ядерных реакций и давление от парообразования рабочей среды реализуют в полезную (механическую) работу при расширении рабочей среды и движении поршня 2 от ВМТ к НМТ, организуя, таким образом, третий рабочий такт поршневой машины.

На четвертом такте отработанная рабочая среда выпускается из цилиндра 1 через выпускной клапан 5 при движении поршня 2 от НМТ к ВМТ. Затем цикл поршневой машины повторяется.

Для безопасности работы электроды б и 7 установлены в цилиндре 1 с помощью втулок 14, 15, выполненных из изолирующего материала.

Источники информации 1. Стационарные газотурбинные установки. Справочник под ред. Л. В. Арсеньева. - Л. : "Машиностроение", 1989. - С. 15.

2. А. В. Чечеткин, Н-А. Занемонец. Теплотехника. Учеб. Для спец. Вузов. -М. : Высшая школа, 1986. - С. 301-302.

3. Т. Х. Маргулова. Атомные электрические станции. - М. : Высшая школа, 1978. - 360 с.

4. Патент РФ 2075599, F 01 К 21/00. Бюл. 8 от 20.03.97.

5. Журнал "Промышленный вестник", 9, 1999, стр. 19.

6. Авторское свидетельство 1254191, F 02 М 27/00. Бюл. 32 от 30.08.86.

7. Патент РФ 2054604. F 24 J 3/00. Бюл. 5 от 20.02.96.

8. М. А. Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. - М. : Химия, 1986. - 288с. ).

9. Заявка Великобритании 2241746, F 02 G 1/02. Реферативный журнал "Изобретения стран мира", выпуск 65, 5, 1993, стр. 22 - прототип.

Формула изобретения

Способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы, заключающийся во всасывании рабочей среды, ее сжатии, пропускании через рабочую среду электровозбуждающего импульса, расширении рабочей среды с получением полезной работы, отличающийся тем, что всасывание рабочей среды, состоящей из газовой части - воздуха и жидкостной части - воды, осуществляют в три этапа, в первом из них подают начальную порцию воздуха, во втором расширяют данную порцию воздуха до низкого давления, в третьем подают дополнительную порцию воздуха одновременно с водой, причем воду предварительно насыщают катализатором и обрабатывают в устройстве кавитации с образованием навигационных пузырьков, затем производят сжатие рабочей среды, приводящее к "схлопыванию" кавитационных пузырьков и нагреву рабочей среды, после этого на такте расширения через рабочую среду пропускают электровозбуждающий импульс, обеспечивая повышение энергии рабочей среды за счет ее ионизации и парообразования жидкостной части, причем после расширения, рабочую среду выпускают в атмосферу.

РИСУНКИ

Рисунок 1