Безуглеродная диссоциация воды и сопутствующее получение водорода и кислорода
Изобретения относятся к устройству и способу получения водорода и кислорода и могут быть использованы в химической промышленности и энергетике. Устройство включает (а) узел катода, включающий катодный электрод 3 и патрубок 24 электрода, окружающий катодный электрод 3, причем патрубок 24 электрода имеет первую стенку 28 и вторую стенку 29, образующие первый проток 13 и второй проток 11; и (b) по меньшей мере, один узел анода, включающий анодный электрод 2 и патрубок электрода, окружающий анодный электрод 2 и образующий, по меньшей мере, один проток. К катодному электроду 3 подводят электроэнергию с целью создания электрического тока между катодным электродом 3 и, по меньшей мере, одним анодным электродом 2 для образования индуцируемого магнитным полем электрического удерживающего поля 5. Поток инертного газа подают через первый проток 13 в электрическое удерживающее поле 5 с целью создания плазмы возле наконечника 14 катодного электрода 3. Поток водяного пара подают через второй проток 11 в электрическое удерживающее поле 5 и плазму возле наконечника 14 катодного электрода 3 с целью производства элементарных водорода 19 и кислорода 20. Устройство и способ позволяют снизить затраты в производстве кислорода и водорода и использовать полученные газы для выработки электроэнергии, предотвращая потребление любых ископаемых топлив, сопряженное с выбросом углеродсодержащих веществ. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 9 ил.
Притязание на приоритет
Приоритетной по отношению к настоящей заявке является предварительная заявка на патент США №60/929643, поданная 6 июля 2007 г., содержание которой полностью включается в настоящий документ путем ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в одном из аспектов, относится к устройству для возбуждения пространственного поля плазмы с целью диссоциации воды на элементарный водород и воду. В другом аспекте настоящее изобретение относится к способам диссоциации воды с целью производства элементарного водорода и воды. В еще одном аспекте настоящее изобретение относится к получению энергии из водорода, образовавшегося в поле плазмы.
Уровень техники
За последние десять лет водород стал серьезно рассматриваться как источник энергии. В какой-то момент выяснилось, что водород представляет собой великолепный возобновляемый, экологически чистый энергоноситель будущего. Стоимость нефти, используемой для выработки энергии и на транспорте, постоянно увеличивается. Например, в США каждый год импортируют нефть на сотни миллиардов долларов.
Водород не имеет цвета, запаха, вкуса, нетоксичен, что отличает его от всех других повсеместно используемых сегодня видов топлива. Водород является предпочтительным топливом для использования в энергетических топливных элементах, выбросы которых составляет только вода и некоторое количество тепла. Подобным образом, когда водород сжигают в двигателе внутреннего сгорания, его выбросами являются только вода и тепло. Кроме того, водород пригоден как топливо, которое может заменить топлива на основе углеводородов на крупных электростанциях, а также в большинстве других энергетических систем, работающих на углеводородах.
Водород это химический элемент, причем самый широко распространенный во Вселенной элемент. Водород присутствует в воде и, в той или иной форме, во всех живых существах. Это и самый простой, и легкий элемент, имеющий только один протон и один электрон. Хотя водород есть везде и всюду, он редко может быть обнаружен в свободной или элементарной форме. Он соединяется с другими элементами и образует самые обычные вещества, такие как вода, сахара, углеводороды и углеводы.
Приблизительно 95% элементарного водорода в настоящее время производится путем парового реформинга природного газа на нефтеперерабатывающих заводах. К несчастью, в процессе парового реформинга используются невозобновляемые ископаемые топлива, и образуются загрязняющие выбросы с высоким содержанием углерода. Следовательно, в качестве перспективной цели экономического развития и производства чистой энергии желательно осуществлять производство водорода, используя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра или Солнца, биомасса (растительная энергия) и даже вода.
Два наиболее подходящих возобновляемых источника энергии для производства водорода из названных трех это биомасса и вода. Ни одному из них не свойственна высокая эффективность, если использовать известные на сегодня процессы, характеризующиеся низкой производительностью и малым объемным выходом водорода.
Биомасса (то есть растительный материал) это возобновляемый источник энергии, из которого с использованием органических процессов получают водород экологически чистым способом. На большей части территории США имеется изобилие биомассы, в том числе отходы заводов по производству сахара, консервных заводов, заводов по производству этанола и биодизельного топлива. Долгосрочные демонстрационные проекты показывают, что методы переработки органической биомассы (с использованием ферментов, катализаторов, ферментации и водорослей) в будущем могут быть применены на возобновляемой основе для производства водорода. Богатые сахарами отходы дают больше всего водорода, и считается, что первые установки промышленного масштаба смогут производить ограниченные объемы водорода через пять-десять лет.
Из воды водород может быть произведен при помощи процесса электролиза. При электролизе водород получают путем пропускания через воду электрического тока, вызывающего диссоциацию на водород и кислород. Однако при этом потребляется значительное количество электроэнергии, и при использовании самых распространенных источников электроэнергии (то есть сжигания угля, нефти или газа) образуется, по меньшей мере, некоторое количество загрязняющих выбросов. Если электроэнергия обеспечивается за счет энергии ветра или Солнца, водород получают, по существу, без сопутствующего загрязнения окружающей среды. К несчастью, количество электроэнергии, получаемой с использованием ветра или солнечной энергии, ограничено, поэтому основной источник электроэнергии, доступной для производства водорода, это, главным образом, ископаемые топлива с сопутствующими углеродсодержащими выбросами. Целью Правительства США и промышленности является отыскание более эффективных и экологически чистых устройств и способов производства водорода в больших объемах и, соответственно, энергии.
Известные сейчас способы производства водорода огранивают какое-либо значимое использование водорода в качестве источника энергии из-за высокой стоимости и ограниченных производственных возможностей. Пока производственных мощностей или систем распределения водорода недостаточно для того, чтобы полностью отказаться от использования угля, топливной нефти, дизельного топлива, бензина и природного газа, как источников энергии. Технология переоборудования электростанций, нагревательных систем и промышленных предприятий на сжигание водорода, а не ископаемых топлив, легкодоступна, однако, ограниченное наличие водорода резко тормозит любое такое усовершенствование, несмотря на привлекательность в экологическом аспекте и с точки зрения снижения зависимости страны от нефти.
Кроме того, уже давно признано, что многие транспортные проблемы, в том числе значительный уровень загрязнения выбросами автотранспорта, могут быть ослаблены или сняты, если будет найден способ увеличения эффективности и объемов производства дешевого водорода. Вполне возможно переоборудовать современные двигатели внутреннего сгорания для использования водородного топлива, как это повсеместно осуществляется в случае автотранспорта, работающего на пропане и природном газе. Однако значительным лимитирующим фактором является отсутствие удобной возможности получения водорода. Также полагают, что следующей ближайшей стадией может стать смешивание водорода с ископаемыми топливами, так как при этом не нужно независимых систем распределения. Добавление водорода к ископаемому топливу может улучшить рабочие характеристики и уменьшить загрязнение. Однако совершение даже этого простого шага тормозится из-за ограниченных производственных мощностей, высокой стоимости и рисков производства и распределения водорода.
С точки зрения производственных мощностей, количества водорода, производимого в настоящее время в США ежегодно согласно опубликованным данным, едва достаточно для работы на водороде приблизительно 1 миллиона автомобилей в течение примерно трех дней. Даже при условии производства достаточного объема водорода транспортировка и распределение водорода также могут ограничивать его использование. После производства водород необходимо сжать в газообразном состоянии или охладить до жидкого состояния (-253°С), хранить в тяжелых баллонах и затем перевозить к месту использования. Сжатие, хранение и транспортировка водорода, по существу, увеличивают расходы, создают угрозу безопасности и затрудняют функционирование систем распределения, если необходимо перемещать к месту использования большие объемы. При имеющихся на сегодняшний день технологиях и нарастании использования водорода инфраструктура, производство и системы распределения должны быть кардинально расширены. В качестве альтернативы, необходимо создать новые технологии как для существенного увеличения эффективного производства водорода, так и упрощения способов распределения водорода.
Стоимость является существенным фактором, ограничивающим использование каких-либо процессов с участием водорода, особенно, производства водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Сейчас производство водорода из возобновляемых источников энергии стоит в несколько раз больше, чем из ископаемого топлива. А также в несколько раз дороже (в расчете на выделенную энергию) производить водород из ископаемых топлив. Очевидно, что стоимость производства водорода может в будущем только постепенно расти (по сравнению с ископаемыми топливами), так как в промышленности пытаются снизить экологические последствия путем производства водорода из возобновляемых источников энергии. Основной целью устройств и способов настоящего изобретения является снижение стоимости и загрязняющих выбросов при производстве водорода и энергии на основе водорода по сравнению и с ископаемым топливом, и с возобновляемыми источниками энергии.
Следовательно, было бы желательно наличие устройства и способа эффективного и экономичного производства водорода и возможности производства водорода вблизи места его использования. Также было бы желательно наличие устройства и способа обеспечения источника энергии на основе водорода.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на устройство и способ производства водорода путем диссоциации воды и на производство энергии из диссоциированного водорода. В настоящем изобретении используется плазменный генератор, пригодный для создания зоны высокотемпературной плазмы высокой энергии. Этот плазменный генератор может быть использован для осуществляемой на месте диссоциации воды на элементарные газы с целью обеспечения готового источника водорода. Этот плазменный генератор также может быть использован для производства энергии на основе водорода. Путем использования среды плазмы (то есть четвертого состояния вещества) может быть высвобождена энергия связанно-свободных состояний молекулы воды. Известно, что диссоциация воды происходит при высокой температуре в соответствии с равновесием:
2Н 2 О ↔ 2Н 2 + О 2
Стандартная свободная энергия Гиббса образования воды (g) составляет -228,61 кДж/моль, указывая на то, что для осуществления диссоциации энергия должна быть подведена к системе. Это также говорит о том, что чем выше температура, тем больше степень диссоциации и тем меньше количество оставшейся Н2О.
В устройстве и способе настоящего изобретения диссоциация воды происходит при очень высокой температуре (обычно более 9000°С) в среде, которая представляет собой четвертое состояние вещества, то есть в плазме. В силу особой природы этой высокотемпературной плазменной дуги в ней энергетический уровень молекулы может быть изменен на новый энергетический уровень. Продукт воздействия плазменной дуги содержит большое количество элементарного водорода и кислорода, являющихся результатом диссоциации значительной доли воды, введенной в плазменную дугу. Получающиеся водород и кислород существуют при измененной свободной энергии образования. Помимо элементарного водорода и кислорода, в потоке продукта также содержится любой материал, использованный для облегчения вовлечения сырья в дугу, такой как водяной пар или инертные газы. Предпочтительно, материалы, используемые для облегчения вовлечения сырья в дугу, позволяют использовать водород в качестве топлива без дополнительной обработки.
В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения способ и устройство предусматривают использование топлива на основе водорода (такого как вода) для производства элементарного водорода и энергии в среде, которая допускает осуществление реакций диссоциации за миллисекунды. Кроме того, в предпочтительном варианте осуществления изобретения для образования пространственной автономной реакционной зоны используется электроэнергия. К преимуществам устройства и способа настоящего изобретения относится высокая пропускная способность сырья относительно электроэнергии, потребляемой в данном процессе. Чистый выход представляет собой прирост выходной мощности (в BTU) вследствие высвобождения энергии, заключенной в молекуле воды.
Устройство настоящего изобретения, вообще, включает один или более катодов, предпочтительно один катод, и один или более анодов. В одном из вариантов осуществления изобретения данное устройство включает один катод и три анода, расположенные по окружности на равном расстоянии вокруг катода. Аноды отстоят от катода на расстояние, допускающее образование между катодом и анодами зоны проводимости столбчатой формы. Предусмотрены средства обеспечения потока хладагента через катодный и анодный электроды и патрубки, окружающие катод и анод(ы), во время работы устройства.
Катодный электрод обычно представляет собой цилиндрическое тело с верхней частью, как правило, конической формы и проводящим наконечником. Катод окружен патрубком, который образует первый газовый канал для катода и второй наружный канал для водяного пара.
Во время работы между катодом и анодом(ами) пропускают электрический ток с целью возбуждения высокотемпературного, высокоэнергетического индуцируемого магнитным полем удерживающего поля с целью эффективного восстановления воды до элементарного газообразного водорода и кислорода. В наконечник катода через первый проток, образуемый в патрубке катода, подают газ, предпочтительно инертный газ, такой как аргон, защищающий проводящий наконечник, предпочтительно, изготовленный из вольфрама. Этот газ сильно ионизируется и образует плазменный столб. Через второй проток в патрубке подают водяной пар, нагнетаемый в удерживающее поле в зоне плазмы, где температура максимальна (обычно от 20000°F до 40000°F (11093-22204°С)). Вода диссоциирует на элементарный водород и кислород.
Образующийся водород может быть использован для выработки энергии на основе водорода или как химическое сырье. Целью настоящего изобретения также является решение ограничивающих производство проблем и снижение затрат, связанных с традиционным производством водорода, как описано выше. Целью настоящего изобретения также является существенное сокращение использования любых ископаемых топлив, сжигаемых с целью выработки электроэнергии, необходимой для производства водорода в устройствах настоящего изобретения. И еще одной целью устройства и способа настоящего изобретения является создание водородного пламени (воспламененного газообразного водорода), пригодного для производства тепла в количестве, достаточном для работы всех типов традиционных энергетических систем, таких как системы выработки электроэнергии и котлы центрального парового отопления (то есть от небольших устройств в индивидуальных домах до крупных промышленных систем), а также большинства других устройств, которые работают на других типах горючего топлива. Еще одной целью настоящего изобретения также является получение всех полезных результатов выработки тепла, описанных выше, при меньших эксплуатационных затратах, чем в случае ископаемого топлива или других углеродных горючих топлив, и полное предотвращение всех углеродсодержащих выбросов, сопряженных с выработкой энергии.
Еще одной целью устройства и способа настоящего изобретения является обеспечение возможности производства водорода и выработки энергии на основе водорода в месте использования или спроса и устранение необходимости сжимать и транспортировать водород при помощи распределительной системы. Однако, если нужно, водород, произведенный посредством устройства и способа настоящего изобретения, может быть сжат, подвергнут хранению и транспортировке, эффективно и в большом объеме при низкой стоимости.
Цели и преимущества, описанные выше, достигаются при помощи особых устройства и способа, которые предусматривают создание чрезвычайно высокотемпературного удерживающего поля, в котором формируется, по меньшей мере, одна особая точка, являющаяся входом в высокоэнергетическое удерживающее поле. В устройстве настоящего изобретения отмеренное количество водяного пара, на которое воздействовали некоторым объемом воздуха или инертного газа (то есть аргона), поступает непосредственно в высокоэнергетическое удерживающее поле через особую точку входа. Водяной пар мгновенно диссоциирует (за миллисекунды) на элементарные газы водород и кислород. Затем разделенные элементарные газы могут быть выведены из поля с высокой тепловой энергией, где эти газы могут быть использованы для сжигания в качестве топлива и получения тепла для совершения работы (или получения энергии). В качестве альтернативы, газы могут быть отделены и храниться для совершения работы (или получения энергии) в будущем или продаваться как товар для различных вариантов использования.
Хотя и без связи с какой-либо определенной теорией или объяснением механизма, посредством которого устройство и способ настоящего изобретения могут быть использованы для выработки электроэнергии, авторы изобретения провели испытания в реальных условиях, дающие количественные результаты, позволяющие полагать, что эффективность, полученная при работе плазменного генератора высокой энергии, может быть результатом особого и прежде неизвестного упрощенного процесса, связанного с конструкцией и способом функционирования, соответствующими настоящему изобретению. Авторы изобретения считают веским доказательство того, что конструкция настоящего изобретения вполне может представлять собой новое, более эффективное и в значительной степени упрощенное устройство, в котором может образовываться уникальная форма пространственно уменьшенных атомов водорода (атомов с меньшей орбитой электрона), называемых «гидрино». Существование гидрино (и соответствующая новая область науки) обнаружено лишь недавно при разработке альтернативной и новой технологии катализаторов с плазменным нагревом. Пока не было сделано настоящее изобретение, гидрино получали только при помощи этой альтернативной технологии с ее сложным устройством и необходимостью использования катализатора для образования гидрино. В целом, каталитический процесс получения гидрино основан на использовании калиевого катализатора с целью порождения пространственно уменьшенной формы водорода из атомов водорода нормального размера. Обычно водород присутствует в окружающей среде в «основном состоянии» (которое соответствует наименьшему энергетическому уровню атома при нормальных условиях). В квантовой механике его называют состоянием с N=1. Как правило, разрешенные энергетические состояния атома соответствуют целым числам 1, 2, 3, 4 и т.д. (что является смыслом слова «квант»). Понятно, что чем больше число, тем выше энергетический уровень. Когда атом водорода с более высокого энергетического уровня (то есть в «возбужденном» состоянии) переходит на более низкий уровень, на котором его размер уменьшается (электронная орбита смещается к центру атома), выделяется энергия. Обычно это происходит в форме кванта света, и наблюдаемые линии спектров испускания атомов соответствуют этим изменениям состояния.
Как известно, ультрафиолетовая линия спектра Солнца, которое, в основном, состоит из водорода, не может быть полностью описана при помощи классической квантовой механики. Однако УФ-спектр Солнца может быть описан с использованием открытий новой области гидрино, предполагающей, что существуют дробные квантовые состояния 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 и т.д. Эти энергетические переходы соответствуют УФ-спектру Солнца. Из-за того, что подквантовые атомы являются неизлучающими, новая технология и научная область гидрино может объяснить явление «темной материи», которая гравитационно удерживает галактики вместе и не дает им разлетаться, как бы ни высока была скорость вращения многих галактик. В настоящее время все процессы, в которых, как полагают, образуются гидрино, это сложные каталитические термические процессы, в которых подводят тепло и осуществляют реакцию снаружи относительно плазмы, возбуждающей соответствующие реакции. Как правило, в качестве катализатора в них используется основный калий. Однако при опытном изучении этих каталитических процессов показано, что энергия, высвобождаемая при энергетических переходах «подосновных состояний», этих гидрино не равна только теоретической, результаты выше, чем при любой известной энергетической реакции на химической основе (особенно в случае углеродных топлив). Высвобождаемая энергия не так велика, как ядерная, однако, намного больше, чем энергия, выделяемая в ходе химической реакции. Это самостоятельная категория.
В ходе испытаний было обнаружено, что в способе и процессе настоящего изобретения основная энергетическая реакция оказывается той же, что и реакция, описываемая в новой научной области гидрино, образующихся на катализаторе. Однако в устройстве и способе настоящего изобретения нет необходимости в использовании какого-либо катализатора с целью получения того, что оказывается атомами водорода в «подосновном состоянии», то есть гидрино, и высвобождения больших количеств энергии. Открыв особое устройство, способ и процесс диссоциации воды на элементарные газы водород и кислород, авторы настоящего изобретения провели многочисленные испытания и в настоящее время полагают, что получили дополнительное подтверждение того, что образование гидрино возможно и может быть воспроизведено в удерживающем плазму высокой энергии поле, создаваемом при помощи устройства настоящего изобретения. Однако, в отличие от каталитического процесса, изменение состояния нормального водорода на подосновное состояние является чрезвычайно эффективным результатом особой способности данного устройства помещать водяной пар непосредственно внутрь плазмы в реакционной зоне высокой энергии.
Это дополнительно подтверждается наблюдаемыми и зарегистрированными значениями положительной полезной мощности, что подробно отражено в таблицах на фиг.6, помещенной ниже, и проиллюстрировано графиками на фиг.4 и 5. На ранних этапах испытания устройства, когда было обнаружено, что выделяемая энергия намного превосходит модель, созданную математически, как показано на фиг.3, эти результаты стали неожиданностью. Авторы изобретения полагают, что имеется два уровня выделения энергии во время диссоциации воды на элементарные газы и горения. Выделяется обычная теплота сгорания элементарного газообразного водорода, и в результате образование гидрино в «подосновном состоянии» выделяется дополнительная энергия. В итоге процесс высвобождения энергии водорода дает значительное положительное энерговыделение, по результатам испытаний - по меньшей мере +200% (или более) сверх энергии, потребляемой для поддержания рабочего состояния удерживающего плазму высокой энергии поля в целом.
Как указано выше, в ходе эксплуатации устройства настоящего изобретения водяной пар поступает внутрь удерживающего плазму высокой энергии поля и немедленно подвергается воздействию окружающего его чрезвычайно сильного магнитного поля и триллионов возбужденных свободных электронов, проходящих через созданное удерживающее поле в плазме. Магнитное поле полностью охватывает собой водяной пар, и этот захваченный пар затем подвергается воздействию потока электронов и при этом также ускоряется до очень больших скоростей. Это можно представить себе как молекулы водяного пара, буквально раздираемые тем, что можно назвать электронным штормом, представляющим собой, по существу, плотный вихревой «туман» триллионов свободных электронов, которые бомбардируют и разрывают молекулы воды. В то время, как электроны и сильное магнитное поле совершают работу над молекулами водяного пара, атомы водорода и кислорода диссоциируют, и образуются гидрино, так как электронные орбиты атомов водорода сжимаются с «нормального» уровня до уменьшенного «дробного» орбитального уровня. Когда это случается, происходит, как описано выше, высвобождение значительного количества энергии за счет изменения орбиты электрона каждого атома водорода с «нормальной» на «дробную» и, дополнительно, происходит высвобождение энергии за счет обычного сгорания газообразного водорода. Кроме того, атом гидрино постоянно стремится к равновесию в ходе реакции, которая может показаться вечным движением, но не достигает его.
В поле плазменного генератора высокой энергии, когда высвобождается энергия атомов водорода, и когда их нормальные электронные орбиты сжимаются до дробных орбит, электроны начинают вращаться ближе к центру атома, и атом переходит в более низкое энергетическое состояние по мере потери им энергии. Затем, в ходе цепи реакций, «потерянная» энергия, в конце концов, возвращается в окружающую среду как тепло низкого уровня после того, как отходящие газы плазменного генератора реагируют с элементами солнечных лучей, достигающих земной атмосферы. В ходе этой реакции поступающий в атмосферу из плазменного генератора влажный воздух, содержащий остаточный водород «подосновного состояния» (гидрино), поглощает кванты солнечного света, и электронные орбиты водорода возвращаются из «дробного» в «нормальное» состояние, при этом атом водорода достигает равновесия. В ходе этого процесса получивший квант солнечного света атом водорода, тем самым, возвращается из неестественного более низкого «подосновного энергетического состояния» в свое нормальное «основное состояние» и возвращается к обычному минимальному энергетическому уровню. Интересно, что энергия, выделяемая в высокоэнергетическом поле плазмы, не теряется. Эта энергия возвращается, но не за счет Земли, а скорее за счет Солнца. Осуществление процесса в целом требует только подвода водяного пара в удерживающее плазму поле, нет необходимости в каком-либо катализаторе, нужно незначительное количество энергии по сравнению с вырабатываемой энергией. Процесс в целом характеризуется положительным выходом энергии, в основных соотношениях, и является экологически чистым.
Таким образом, одной из целей настоящего изобретения является обеспечение устройства и способа, предусматривающих использование высокотемпературного, высокоэнергетического поля для эффективной диссоциации воды на элементарные газообразные водород и кислород. Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение источника энергии на основе водорода. Другие цели и преимущества настоящего изобретения станут очевидны специалистам в данной области благодаря нижеследующему подробному описанию изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан вариант осуществления устройства настоящего изобретения, в котором для получения высокотемпературного высокоэнергетического плазменного генератора, предназначенного для диссоциации воды с целью производства элементарного водорода и кислорода, использован один катод и один анод.
На фиг.2 показан второй вариант осуществления устройства настоящего изобретения для получения высокотемпературного высокоэнергетического плазменного генератора, предназначенного для диссоциации воды с целью производства элементарного водорода и кислорода.
Фиг.3 представляет собой таблицу расчетов, детализирующих эффективность работы одного из вариантов осуществления устройства настоящего изобретения.
Фиг.4 представляет собой график зависимости теплового потока от времени в плазменной дуге и выходной мощности одного из вариантов осуществления устройства.
Фиг.5 представляет собой график зависимости теплового потока от времени в плазменной дуге и выходной мощности одного из вариантов осуществления устройства.
Фиг.6 представляет собой таблицу, в которой сведены рабочие параметры и результаты работы одного из вариантов осуществления устройства.
Подробное описание изобретения
В одном из аспектов настоящее изобретение направлено на устройство и способ эффективного производства элементарного водорода из содержащего водород материала, предпочтительно жидкого материала, такого как производство путем диссоциации воды. В настоящем устройстве возбуждается высокотемпературный высокоэнергетический плазменный разряд, и формируется удерживающее поле. Источник водорода, такой как водяной пар, вводят в плазменный столб с помощью генератора водяного пара. Молекулы воды диссоциируют на элементарные водород и кислород. Водород может быть использован для выработки энергии или может быть собран и направлен на хранение для использования в качестве топлива, например топливо для двигателей внутреннего сгорания.
На фиг.1 показана схема одного из вариантов осуществления высокотемпературного и высокоэнергетического плазменного генератора (1) настоящего изобретения. Конструкция плазменного генератора (1) предусматривает использование электроэнергии и включает один или более анодных электродов (2) и окружающие их патрубки (не показаны) и один или более катодных электродов (3) и окружающие их патрубки (24), к которым подсоединено электропитание. В одном предпочтительном варианте осуществления изобретения устройство включает один катодный электрод и три анода, расположенные по окружности вокруг катода. Множество анодных электродов размещено на одинаковом расстоянии от узла катода. Патрубки электрода изготовлены из меди, латуни или керамического материала.
Как показано на фиг.1, анодный электрод (2) и катодный электрод (3) предпочтительно включают цилиндрическую часть и конический участок наконечника. В предпочтительном варианте осуществления изобретения основная и коническая части анодного электрода (2) и катодного электрода (3) образованы непроводящим материалом, таким как высокотемпературный керамический материал. Если бы был использован проводящий материал, его необходимо было бы изолировать от электрических путей. Анодный электрод и катодный электрод включают наконечники (14, 27), проводящие электрический ток. Эти наконечники могут быть изготовлены из любого материала, обычно используемого для электросварочных наконечников или промышленных плазменных генераторов. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения анодный электрод и катодный электрод изготовлены из вольфрама с высокой электропроводностью. Наконечник катода соединен с источником электропитания проводом или другим средством соединения через центр электрода. Предпочтительно, чтобы электропитание подводилось к наконечнику, не проходя через какие-либо соединения винтового типа.
При включении напряжения возбуждается электрическое поле, проходящее между наконечником (14) катодного электрода (3) и наконечником (27) одного или более анодных электродов (2). Электропитание подводят к аноду и катоду с таким напряжением и силой тока, которых достаточно для создания высокоэнергетического проводящего столба (поля плазмы), подробно описываемого ниже. В одном из вариантов осуществления изобретения электропитание подводят с напряжением примерно от 40 до 60 В и силой тока, примерно, от 100 до 130 А.
Когда электрическая дуга установилась, формируется устойчивый удерживаемый магнитным полем круглый столб зоны проводимости, и возбуждается высокоэнергетическое удерживающее поле (5). Это высокоэнергетическое удерживающее поле проявляется и как высокозаряженное электрическое поле, и как сильное переменное магнитное поле. Эффектом наличия электрического и магнитного полей является быстрое движение электронов, а большое количество тепла формирует высокоэнергетический барьер, который удерживает материалы или газы вовлеченными в столб. Контурами охлаждения снабжены и катодный электрод (3), и анодный электрод (2), а также патрубок катода (24) и патрубок анода (не показан). Подводящая труба системы охлаждения наконечника катода (16) и отводящая труба системы охлаждения наконечника катода (17) образуют канал для потока хладагента через внутреннюю часть катодного электрода (3) с целью охлаждения наконечника этого электрода. Аналогично, подводящая труба системы охлаждения анода (8) и отводящая труба системы охлаждения анода (9) образуют канал для потока хладагента через внутреннюю часть анодного электрода (2). Кроме того, патрубок катода (24) охлаждается хладагентом, поступающим через входное отверстие для хладагента (25) и отводимым через выходное отверстие для хладагента (26).
Для обеспечения охлаждения катода и анода может быть использована любая подходящая текучая среда. Предпочтительно, в качестве охлаждающей среды используют неводный хладагент, такой как, например, неводная смесь пропиленгликоля и этиленгликоля. В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения неводный хладагент содержит около 70% вес. пропиленгликоля и около 30% вес. этиленгликоля и, при необходимости, подходящие добавки. Использование неводного хладагента особенно полезно для функционирования устройства настоящего изобретения. Благодаря более высокой температуре кипения безводного хладагента (390°F; 199°С) увеличивается теплопередача при большем удельном тепловом потоке, имеющем место в «конечной» точке тока на электроде, и предотвращается образование каких-либо участков перегрева внутри патрубков катода и анода, благодаря чему исключается какое-либо «мгновенное вскипание» водяного пара в канале подвода (11) патрубка катода. Следовательно, полностью исключается какая-либо вероятность возврата поданного водяного пара. Эта уникальная особенность обуславливает свойственную настоящему изобретению возможность помещения в поле плазмы настоящего изобретения холодной воды низкого давления в противоположность необходимости использования пара высокого давления.
Катодный электрод окружен патрубком катода (24), который, предпочтительно, выполняют как единый элемент, однако, он также может, если нужно, состоять из множества частей. Патрубок катода включает первую стенку (28) и вторую стенку (29). Первая стенка (28) патрубка катода параллельна очертаниям катодного электрода, в результате чего образуется первый проток (13). В патрубке катода (24) также имеются дополнительные каналы между первой стенкой (28) и второй стенкой (29), образующие второй проток (11). Источник воды соединен с испарителем воды (12), который подает водяной пар по линии (15) во второй проток (11), заключенный в теле патрубка, окружающего катодный электрод (3). Второй проток (13) направляет водяной пар непосредственно в плазменную реакционную зону (5). Первый проток (13) соединен с источником инертного газа, предпочтительно аргона. Первый проток (13) обеспечивает подачу инертного газа с целью защиты поверхности наконечника (14) катода (3) от окружающего воздуха и кислорода. Анодные электроды окружены патрубками анода (не показаны), конструкция которых аналогична патрубку катода.
В ходе работы, когда на высокоэнергетический плазменный генератор (1) подана электроэнергия, возникает электрический разряд большой энергии, который проходит между катодным электродом (3) и одним или более анодными электродами (2). Магнитное поле электрической дуги создает высокоэнергетическое удерживающее поле (5), которое сжимается вовнутрь и в окружности с образованием приблизительно конусообразной части в области (В).
Примерно в то же время, когда возбуждается электрическая дуга, инертный газ, предпочтительно аргон, подают на поверхность наконечника катода (14) по первому протоку (13). В одном из вариантов осуществления изобретения аргон подают с расходом примерно от 8 до 10 стандартных кубических футов в минуту (283-226,5 л/ч). Аналогично, на поверхность наконечника анода по внутренним каналам патрубка анода (не показан) также подают защищающий газообразный аргон. Инертный газ, подаваемый через патрубок катода, втягивается в суженную область удерживающего поля (В) и поступает вокруг области, которая будет самой горячей точкой плазмы, «пузыря» плазмы (22). В этой точке инертный газ становится сильно ионизированным, образуя плазму. Плазма перемещается вверх по удерживающему полю с чрезвычайно высокой скоростью. Таким же образом водяной пар, полученный в испарителе воды (12), перемещается по второму протоку (11) к наконечнику катода (14) и втягивается или вталкивается в удерживающее поле (5) в суженной области (В). Количество воды, подаваемой в удерживающее поле, зависит от размера устройства. В варианте осуществления, использованном для испытаний, описанных ниже и отраженных на фиг.4-6, водяной пар подавали с расходом примерно 0,2075 г/мин.
Водяной пар немедленно подвергается воздействию высочайшей температуры удерживающего поля, от 20000°F до 40000°F (11093-22204°С), вокруг пузыря плазмы (22) у основания столба.
Молекулы водяного пара за миллисекунды диссоциируют на элементарные газы, водород (19) и кислород (20). Эти газы, остающиеся диссоциированными из-за чрезвычайно высокой температуры внутри и вокруг зоны возбуждения реакции (18), затем с большой скоростью перемещаются сквозь высокоэнергетическое удерживающее поле (5). Эти газы удерживаются внутри поля магнитными удерживающими стенками, окружающими поле (5). По мере того, как газы (19) и (20) проходят по удерживающему полу, их температура постепенно падает, потом они выходят из того конца поля (5), который примыкает к внешней области (С).
Именно в этой точке происходит критическое, исключительное явление, являющееся результатом, на который направлены способ и устройство настоящего изобретения. Когда два газа (19) и (20) поступают в более холодные внешние условия области (С), постепенно охлаждаясь, их температура достигает некоторого уровня, который все еще достаточно высок для того, чтобы данная смесь газов снова не образовывала воду (обычно более 3000°F (1649°С)), однако является критическим уровнем, при котором происходит воспламенение (21) (обычно ниже 7000°F (3781°C)), и выделяется большое количество энергии (23), совершая работу. Испытания и исследования, проведенные другими специалистами, дают возможность предположить, что газообразные водород и кислород остаются элементарными при температурах от 3000°F (1649°С) до 10000°F (5538°C), и что эти газы можно разделить, отвести и хранить до сжигания. Кроме того, можно использовать энергию, выделяемую элементарными водородом и кислородом, для выработки электроэнергии.
Теперь обратимся к фиг.2, на которой показан вариант осуществления устройства, сконструированного с целью функционирования в соответствии с особой технологией настоящего изобретения. Устройство, показанное на фиг.2, является одним из множества возможных вариантов осуществления устройства настоящего изобретения (31) получения водорода и энергии на основе водорода в высокотемпературном, высокоэнергетическом удерживающем поле. Стенка (41) удерживающего устройства (31) изготовлена из твердого материала, обычно из металла. Предпочтительно, данное удерживающее устройство является непроводящим. Оно может быть изготовлено из непроводящей или изолированной меди, латуни, алюминия или керамики. Удерживающее устройство (31) представляет собой полый цилиндр с крышкой на одном конце, конструкция которого допускает функционирование с любым из нескольких пригодных мощных энергетических источников (32), таких как высокоэнергетический лазер, высокочастотный радиоволновой излучатель, микроволновый генератор или мощный электромагнит и т.д. В данной конфигурации показано два мощных энергетических источника, однако, в качестве альтернативы, конструкция устройства может предусматривать только один мощный энергетический источник или использование любого количества мощных энергетических источников. Существуют многочисленные энергетические источники, пригодные для использования в качестве мощных энергетических источников. Такой энергетический источник должен обладать возможностью создания максимального уровня нагрева в реакционной зоне образования водорода (33), примерно от 20000°F до 40000°F (11093-22204°С), посредством процесса формирования некоторого объема сильно возбужденных электронов и протонов.
Реакционная зона образования водорода (33) формируется высокотемпературным и высокоэнергетическим полем (34), создаваемым в удерживающем плазму устройстве (31) внутри цилиндрической оболочки (41) и на протяжении высокоэнергетического удерживающего устройства (31). Удерживающее устройство окружено рубашкой охлаждения (35) обычно с нижним входным отверстием (36) и верхним выходным отверстием (37). Для охлаждения могут быть использованы различные охлаждающие среды. Из-за того, что в удерживающем устройстве (31) выделяется большое количество тепла, охлаждающая среда, предпочтительно, является неводным хладагентом с соответствующими добавками.
Для введения сырья на основе воды, подлежащего преобразованию в водород и кислород, жидкую воду из наружного источника подают в испаритель воды (38). Испаритель воды подает водяной пар, предпочтительно, с температурой окружающей среды по подающей трубе (39), простирающейся непосредственно до реакционной зоны образования водорода (33). В качестве альтернативы, в реакционную зону может быть подана подогретая вода или пар. На конце трубы, подающей водяной пар, находится выходное сопло для пара (40), через которое водяной пар поступает непосредственно в реакционную зону образования водорода (33). Цилиндрическая стенка (41) удерживающего устройства (31) может быть герметично закрыта крышкой (42) с того торца удерживающего устройства (31), где подведена подающая труба для пара (39). Торцевая крышка (42) также может быть снабжена одним или более отверстием (43) для регулируемого всасывания воздуха в удерживающее устройство (31). Кроме того, регулируемые отверстия, подобные отверстиям (43) в торцевой пластине, также могут быть снабжены каналами, по которым в удерживающее устройство (31) может быть введено регулируемое количество инертного газа (то есть аргона).
Во время работы мощный энергетический источник(и) (32) создает энергетическое поле, которое проходит сквозь стенку (41) в удерживающее устройство (31). Поля высокой энергии создают в критической области удерживающего устройства (31) температурные условия в диапазоне примерно от 20000°F до 40000°F (11093-22204°С). Высокоэнергетические, высокотемпературные поля (34) распространяются внутри удерживающего устройства (31) по направлению к открытому торцу вблизи области (А). Энергетические поля (34) аккумулируются у центральной линии удерживающего устройства (31), и в точке максимального приближения достигается наивысшая температура (примерно от 20000°F до 40000°F, как описано выше), и формируется зона образования водорода (33). Для предохранения удерживающего устройства (31) от разрушения вдоль стенки (41) помещены рубашки охлаждения (35), по которым, через отверстия для хладагента (36) и (37), циркулирует хладагент (предпочтительно, неводного состава). Источник водоснабжения соединен с входным отверстием испарителя воды (38), в котором вода превращается в пар, причем пар направляется в подающую водяной пар трубу (39) и выходит из нее через выходное отверстие для водяного пара (40) непосредственно в зону образования водорода (33) с чрезвычайно высокой температурой. Водяной пар (молекулы воды) мгновенно восстанавливается и разделяется на элементарные газы, водород (44) и кислород (45). Эти газы, которые остаются обособленными из-за предельно высокой температуры внутри энергетического поля (34), проходят по удерживающему устройству (31), охлаждаются и затем выходят через торец во внешнюю область (А), где их температура и далее быстро падает вследствие воздействия внешних условий.
Именно в этой точке происходит критическое, исключительное явление, являющееся результатом, на который направлены способ и устройство настоящего изобретения. Когда два газа (44) и (45) поступают в более холодные внешние условия области (А), постепенно охлаждаясь, их температура достигает некоторого уровня, который все еще достаточно высок для того, чтобы эти газы снова не образовывали воду (как указано выше при описании фиг.1), однако является критическим уровнем, при котором происходит воспламенение (А-1). На этом этапе происходит горение (46), и выделяется большое количество энергии, совершая работу (47).
На фиг.3 представлена таблица с математическими расчетами, основанными на результатах стендовых испытаний, осуществленных авторами настоящего изобретения, в которых количественно оценивается выигрыш в потенциальной энергии (приращение полезной мощности), выраженный в BTU (британская тепловая единица). Результаты расчетов указывают, что когда для переработки Н2О используется плазменная дуга с принятым значением энергии на уровне 5 кВт·ч, чистый результат соответствует приращению энергии. А именно, эти результаты говорят о том, что потребляемая энергия, выраженная в BTU, равна 1228320 BTU (1296 МДж), энергия, полученная в форме водорода, равна 3779214 BTU (3987 МДж). Во время проведения расчетов реальный чистый прирост еще не был окончательно определен количественно, однако далее он показан на фиг.4, 5 и 6. Впрочем, результаты этих начальных исследований и расчетов были однозначно положительными. Даже при удвоении потребляемой энергии или уменьшении вдовое получаемой энергии, как указывают расчеты, чистый результат все равно будет положительным.
Обобщенные результаты испытаний одного из вариантов осуществления устройства
Работа проводилась с устройством, сконструированным в соответствии с настоящим изобретением, в настоящем документе изготовленное оборудование именуется реактор с ионизованным газом (Ionized Gas Reactor - IGR). В ходе испытаний с использованием данного IGR были сделаны новые открытия, касающиеся прироста энергетического потенциала, и дано дополнительное объяснение тому, каков источник энергии, вырабатываемой данным IGR (выраженной в BTU/ч). Кроме того, модель параметров испытаний, переменных и результатов была представлена как развернутая таблица для облегчения интерпретации экспериментально полученных данных. В итоге, для количественного представления всех результатов испытания IGR был создан точный формат записи энергетического баланса. Затем были осуществлены испытания с целью установления следующего:
(а) калибровка потребляемой и полезной мощности источников для составления энергетического баланса;
(b) определение точного количества генерируемой в IGR энергии при введении в поле воды;
(с) определение того, будет ли вода, обогащенная тяжелой водой (дейтерием), способствовать увеличению выработки энергии, с целью учета или исключения какого-либо взаимодействия водорода и дейтерия.
Для калибровки потребляемой и полезной мощности источников была разработана модель теплового баланса, учитывающая:
(i) электроэнергию, потребляемую IGR (поддержание поля в реакционной зоне);
(ii) тепловыделение электродов в контуре неводного охлаждения;
(iii) тепловыделение с потоком нагретого воздуха, выходящего из корпуса IGR;
(iv) тепловыделение путем конвекции от стенок корпуса к окружающей среде;
(v) скрытую теплоту парообразования вводимой воды;
(vi) влажность воздуха в системе и изменение удельной теплоемкости;
(vii) тепловую энергию в корпусе IGR от воздуха окружающей среды.
Испытания были проведены с использованием устройства типа, показанного на фиг.1. Некоторые из размеров устройства, использованного в ходе испытаний, следующие. Узел катода, включающий катодный электрод (3) и патрубок катода (24), в цилиндрической части узла катода имел диаметр 3 дюйма (0,076 м) и конус 60° в верхней конической части узла катода. Длина верхней конической части равна 1,5 дюйма (0,038 м). Диаметр верхней поверхности узла катода у наконечника (14) равен 1,25 дюйма (0,032 м). Диаметр катодного электрода и анодного электрода, каждого, равен 0,5 дюйма (0,013 м). Ширина первого протока (13) примерно 0,018 дюймов (0,46 мм), второго протока (11) примерно 0,14 дюймов (3,5 мм). Наконечник катодного электрода выступает из верхней поверхности узла катода у наконечника (14) примерно на 0,0625 дюйма (1,59 мм). Расстояние между катодным электродом и анодным электродом во время запуска было равно примерно 0,5 дюйма (12,7 мм), в рабочем состоянии увеличено примерно до 1,0 дюйма (25,4 мм). Испытания устройства проводили при мощности примерно 5 кВт. Следует понимать, что используя описание и примеры, приводимые в настоящем документе, можно создать более крупные устройства, предназначенные для эксплуатации при большей мощности.
На фиг.6 приведены рабочие параметры и результаты, полученные во время испытаний, осуществленных с целью получения результатов, показанных на фиг.4 и 5. Было создано такое устройство IGR, в котором подача воды в это устройство осуществлялась непрерывно. Сначала IGR работал при подаче в удерживающее поле газообразного аргона, после достижения равновесия в IGR начали подавать водяной пар. На фиг.4 результаты представлены в виде графика, полученного на основании модели теплового баланса.
Примерно через 30 мин устройство достигло устойчивого равновесия (температуры, при которой ни теплоподвод, ни теплоотдача не характеризовались увеличением температуры в течение заданного периода времени). При этой температуре в плазму IGR подали водяной пар. Потребляемая мощность немного увеличилась (из-за изменения эксплуатационных характеристик реакционной зоны). Кроме того, в то же время существенно изменилась в сторону увеличения выходная мощность (BTU/ч), так что работа IGR дала чистый прирост 2,3 MBTU/ч (0,67 МВт) сверх всей энергии, необходимой для поддержания реакции.
Впоследствии и в качестве подтверждающего испытания температуру окружающей среды уменьшили, приведя в действие систему вентиляции в помещении. Избыток воздуха помещения вызвал охлаждение воздуха, поступающего в корпус, воздуха внутри корпуса и отработанного воздуха, сместив установившееся температурное равновесие. После количественного определения и регистрации точной величины, на которую уменьшилась температура на входе и выходе реакционной зоны, систему вентиляции помещения выключили. Температурное равновесие в реакционной зоне вернулось к прежнему значению, и чистый прирост мощности (BTU/ч) - к 2,3 MBTU/ч (0,67 МВт). Наблюдаемые результаты этого подтверждающего испытания показаны на фиг.4, которая иллюстрирует данное явление.
Было осуществлено дополнительное испытание, в ходе которого в IGR сначала подавали обычную воду, которую затем заменили на воду, обогащенную «тяжелой водой» (дейтерием) в соотношении дейтерий/вода 1:50. Результаты этого испытания показаны на фиг.5. После достижения устойчивого температурного равновесия (через 42 мин) подали воду и зарегистрировали в IGR, который снова достиг устойчивого равновесия примерно через 35 минут, чистый прирост мощности. При данной температуре в реакционную зону подали обычную воду, обогащенную тяжелой водой (в соотношении дейтерий/вода 1:50), не зарегистрировав при этом существенного дополнительного приращения вырабатываемой мощности.
В конце этого испытания вручную увеличили силу тока в IGR. В результате и потребляемая, и выходная мощность устройства увеличились, однако, изменения чистой выработки энергии в IGR не произошло.
В заключение необходимо отметить, что результаты, полученные в ходе этой серии количественных испытаний, несомненно, подтверждают уникальное открытие, что использование устройства и процесса настоящего изобретения для диссоциации воды на водород и кислород позволяет получить приращение мощности (в (BTU/ч) относительно энергии, необходимой (потребляемой) для поддержания в IGR реакции. Оказалось неожиданным, что наблюдаемый прирост мощности больше величины, прогнозируемой математически (расчетной) в соответствии с фиг.3.
Хотя в настоящем документе представлены и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, возможны различные модификации описанных выше процессов и способов, не выходящие за пределы существа и объема изобретения, описанного в прилагаемой формуле изобретения. Следовательно, следует понимать, что настоящее изобретение описано на примерах, но не с целью ограничения.
1. Устройство для получения водорода и кислорода, включающее:
(a) узел катода, включающий катодный электрод и патрубок электрода, окружающий катодный электрод, причем патрубок электрода имеет первую стенку и вторую стенку, образующие первый проток и второй проток; и
(b) по меньшей мере, один узел анода, включающий анодный электрод и патрубок электрода, окружающий анодный электрод и образующий, по меньшей мере, один проток.
2. Устройство по п.1, в котором катодный электрод включает цилиндрическую основную часть и коническую носовую часть с проводящим наконечником.
3. Устройство по п.2, в котором цилиндрическая основная часть и коническая носовая часть изготовлены из одного из высокотемпературных керамических материалов или изолированных металлов, а наконечник изготовлен из вольфрама.
4. Устройство по п.1, дополнительно включающее средство внутреннего охлаждения катодного электрода и анодного электрода с использованием жидкого хладагента.
5. Устройство по п.4, в котором хладагент представляет собой неводный хладагент.
6. Устройство по п.1, дополнительно включающее генератор водяного пара.
7. Устройство по п.1, в котором множество анодных электродов размещены на одинаковом расстоянии от узла катода.
8. Устройство по п.1, в котором патрубки электрода изготовлены из меди, латуни или керамического материала.
9. Способ получения водорода и кислорода, включающий стадии:
(a) обеспечение узла катода и, по меньшей мере, одного узла анода, где узел катода включает катодный электрод и патрубок электрода, окружающий катодный электрод, причем патрубок электрода имеет первую стенку и вторую стенку, образующие первый проток и второй проток; и где узел анода включает анодный электрод и патрубок электрода, окружающий анодный электрод и образующий, по меньшей мере, один проток;
(b) подведение к катодному электроду электроэнергии с целью создания электрического тока между катодным электродом и, по меньшей мере, одним анодным электродом для образования индуцируемого магнитным полем электрического удерживающего поля;
(c) обеспечение потока инертного газа через первый проток в электрическое удерживающее поле с целью создания плазмы возле наконечника катодного электрода;
(d) обеспечение потока водяного пара через второй проток в электрическое удерживающее поле и плазму возле наконечника катодного электрода с целью производства элементарных водорода и кислорода.
10. Способ по п.9, в котором инертный газ представляет собой аргон.
11. Способ по п.10, в котором аргон подают к каждому электроду с расходом от 8 до 10 станд. куб. футов в час (283-226,5 л/ч).
12. Способ по п.10, в котором водяной пар подают, используя генератор водяного пара.
13. Способ по п.9, дополнительно включающий стадии:
(е) воспламенение элементарных водорода и кислорода на выходе из электрического удерживающего поля с целью выработки энергии из элементарного водорода.
14. Способ по п.9, дополнительно включающий стадию:
(e) отделение, сбор и хранение элементарных водорода и кислорода, произведенных в электрическом удерживающем поле.
15. Способ по п.13, дополнительно включающий стадию:
(f) использование энергии, выделяемой элементарными водородом и кислородом, для выработки электроэнергии.
