Начало раздела Производственные, любительские Радиолюбительские Авиамодельные, ракетомодельные Полезные, занимательные	Хитрости мастеру Электроника Физика Технологии Изобретения	Тайны космоса Тайны Земли Тайны Океана Хитрости Карта раздела
Использование материалов сайта разрешается при условии ссылки (для сайтов - гиперссылки)

ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2174162

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

Имя изобретателя: Кудымов Г.И.; Студенников В.В. 
Имя патентообладателя: Кудымов Георгий Иванович; Студенников Василий Васильевич
Адрес для переписки: 103009, Москва, а/я 184, для ППФ "ЮС", пат.пов. С.В. Ловцов, рег. № 59
Дата начала действия патента: 1998.06.22 

Изобретение относится к энергетическому машиностроению и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства, которое позволяло бы совершать параллельное преобразование механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии. Технический результат заключается в повышении эффективности электролиза, получении наряду с кислородом и водородом электрической энергии и утилизации тепла. Устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза содержит вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита. Емкость установлена на остове и связана с приводом вращения. В устройстве имеются электроды, каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза. Устройство имеет теплообменник. Электроды устройства или коротко замкнуты между собой или соединены в контур через потребитель электроэнергии. Емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ее вращения, определяемой из математического соотношения, приведенного в формуле изобретения.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем, например, электролиза.

Из существующего уровня техники известно устройство для преобразования механической энергии в электрическую, а затем в химическую путем разложения воды электролизом раствора электролита и получения при этом водорода и кислорода. Данное устройство содержит емкость с валом, который установлен в опорах на остове с возможностью вращения. Он кинематически связан с приводом вращения, например с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и генератором электрического тока. Емкость заполнена раствором электролита, в ней имеются электроды, включенные в электрическую цепь генератора, и каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза (см. РФ, Патент N 2015395, F 02 М 21/00, 1990 г.).

Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует принципиально иные конструктивные подходы к получению конечного результата от использования известного изобретения. Кроме того, данное устройство не позволяет совершать нетрадиционные преобразования энергии, тем более в комплексе: одновременно несколько параллельных циклов преобразования.

Это устройство во время вращения емкости обеспечивает последовательное преобразование механической энергии привода сначала в электричество и только затем в химическую энергию полученных из воды водорода и кислорода. Такая обязательная последовательность преобразования энергии предопределяет низкий коэффициент полезного действия (КПД) устройства, поскольку компенсация эндотермического эффекта реакции разложения воды производится за счет использования выработанной электроэнергии, и не обеспечивает возможности ее полезного использования на внешней нагрузке без резкого снижения выхода водорода и кислорода.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является создание устройства, которое позволяло бы совершать параллельное преобразование механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.

К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно отнести повышение эффективности электролиза, получение наряду с кислородом и водородом электрической энергии, и утилизацию тепла любого природного или техногенного происхождения.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, электроды, а и каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, согласно изобретению, снабжено теплообменником, электроды или короткозамкнуты между собой или соединены в контур через потребитель электроэнергии, а емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ее вращения , определяемой из следующего математического соотношения:



где q_a, q_k - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в стехиометрическом соотношении;

Т - абсолютная температура раствора, К;

m - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг;

- линейная концентрация тяжелых ионов, м^-1;

= 10(C·N)^1/3, где

C - мольная концентрация раствора, моль · л^-1,

N - число Авогадро, моль^-1;

h - высота столба раствора, м;

К - степень диссоциации электролита, 10^-2%;

R - внутренний радиус емкости, м;

- температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К^-1;

_o - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф·м^-1;

- относительная диэлектрическая проницаемость воды;

r_в - эффективный радиус молекулы воды, м;

r_u- эффективный радиус тяжелого иона, м.

Представленная выше математическая зависимость получена в результате эмпирических и теоретических исследований. Математические выкладки и обоснование этой зависимости достаточно объемны и, для того чтобы не перегружать материалы настоящей заявки, не приводятся.

На фиг. 1 и 2 представлены принципиальные схемы различных конструктивных решений заявленного устройства для преобразования энергии. Устройство содержит остов 1, на котором на валу 2 установлена вращающаяся емкость 3, заполненная водным раствором электролита. Емкость 3 связана с приводом вращения (не показан). Устройство имеет электроды 4 и 5, а и каналы 6, 7 и 8 соответственно для подвода раствора электролита и отвода продуктов электролиза. Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные выполнения его теплообменника. Так, на фиг. 1 изображен, например, трубчатый теплообменник 9, размещенный в полости емкости 3, а в другом варианте конструктивного решения, представленного на фиг. 2, функции теплообменника 9 может выполнять корпус емкости 3.

Относительно конструктивного выполнения электродов, уместно сказать, следующее. В качестве одного электрода 4 может быть использована внутренняя поверхность вращающейся емкости 3. В качестве второго электрода 5 могут быть использованы различные конструктивные элементы, размещенные, например, на валу 2 внутри емкости 3. Так на фиг. 1 и 2 электрод 5 конструктивно представлен в виде, например, металлических взаимосвязанных между собой дисков, установленных на валу 2 с возможностью свободного вращения. В зависимости от химического состава используемого в устройстве электролита каждый электрод может выполнять функцию катода или анода.

В одном из конструктивных вариантов устройство может быть, например, снабжено сепаратором 10. В других же случаях (фиг. 2), например при агрегатировании устройства с двигателем внутреннего сгорания, нет необходимости осуществлять разделение водорода и кислорода, поскольку их направляют на последующее сжигание, поэтому сепаратор 10 не применяют. Кроме того, раствор электролита может выполнять функцию теплоносителя, а следовательно, внутренний теплообменник 9 и нецелесообразен.

Конструктивные выполнения теплообменника и электродов в предмет настоящего изобретения не входят.

Электроды 4 и 5 могут быть короткозамкнуты между собой (конструктивно это осуществить несложно, поэтому в данной заявке это выполнение не приводится; оно не входит в объем притязаний), или же электроды могут быть соединены, например, скользящим контактом 11, в контур через потребитель электроэнергии (не показано). Данное соединение технически многовариантно и не входит в объем испрашиваемой правовой охраны. Следует только иметь в виду, что соединение в контур через потребителя электроэнергии стало возможным лишь потому, что в результате работы данного устройства вырабатывается электроэнергия - отсюда появление потребителя электроэнергии.

В одном из конструктивных выполнений для уменьшения потерь на трение емкости 3 о воздух она может быть заключена в кожух 12 (в предмет изобретения не входит), образующий герметичную полость, сообщенную или с системой забора воздуха двигателя внутреннего сгорания или вакуумным насосом, которые понижают давление газа, а тем самым и силу трения.

Кроме того, для обеспечения циркуляции раствора электролита диски электрода 5 могут содержать радиальные каналы, а сами быть кинематически связанными с тормозным устройством (не показано), обеспечивающим их меньшую частоту вращения по отношению к емкости 3, что порождает в каналах динамический поток жидкости. Эти конструктивные решения в предмет изобретения не входят. Что касается математического соотношения, определяющего ясную скорость вращения :

то, как было отмечено выше, математические выкладки, приведшие к данной зависимости, достаточно громоздки и приводить их в материалах заявки нецелесообразно.

Устройство для преобразования энергии функционирует следующим образом.

В устройство во вращающуюся емкость 3 через канал 6 подают заранее подготовленный раствор электролита необходимого объема. При этом его уровень перекрывает электрод 5. Разгоняют емкость 3 до частоты вращения, определенную для данного устройства по вышеприведенной формуле. Если указанный параметр будет ниже расчетного (порогового) значения, то резко снижается эффективность электролиза, связанная с процессом разложения воды, или он вообще будет неосуществим. При достижении этой частоты вращения происходит разложение воды на водород и кислород, а в устройстве обеспечивается дозированное поступление воды или свежего раствора электролита в емкость 3 по каналу 6 и удаление из нее водорода, кислорода, а и других промежуточных и конечных продуктов процесса через соответствующие каналы 7 и 8.

В процессе работы данного устройства под действием центробежной силы в емкости 3 создается поле искусственной силы тяжести, в котором катионы и анионы в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Более тяжелые ионы своим электрическим полем будут воздействовать друг на друга и на периферии раствора на внутренней поверхности емкости 3, как на одном из электродов, образуется зона с повышенной концентрацией одноименных ионов, например анионов, то есть отрицательный пространственный электрический заряд, который индуцирует на внешней поверхности емкости 3 адекватный заряд (потенциал) из электриков проводимости.

В свою очередь легкие ионы сконцентрируются в области между указанным пространственным зарядом и электродом 5, образуя свой пространственный заряд (потенциал) противоположного знака. Расстояние между катионами и анионами в растворе на условной границе соприкосновения двух пространственных зарядов всегда больше расстояния между катионами и поверхностью катода, а следовательно, напряженность электрического поля в последнем случае выше. По этой причине возникшее равновесие будет нарушено и нарушено именно на электроде 5, если величина его потенциала окажется достаточной для создания электрического поля, способного деформировать гидратные оболочки легких ионов. Тогда они приблизятся к поверхности электрода 5 и разрядятся. Тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к поверхности другого электрода 4, не могут быть в растворе обособленно, поэтому они и отдадут свой заряд электроду 4 и между ними через скользящий контакт 11 или по короткозамкнутому проводнику потечет постоянный электрический ток. Ионы электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят с водой во вторичные реакции. Таким образом, в заявленном устройстве для преобразования энергии электрический ток порождается протекающими окислительно-восстановительными химическими реакциями на электродах, а не наоборот, что имеет место в известном устройстве-прототипе.

Реакции образования молекулярных водорода и кислорода экзотермичны, что указывает на возможность их самопроизвольного протекании, но только при условии преодоления энергетического барьера, установленного силами гидратных связей. Этот барьер разрушается механическим полем искусственной силы тяжести. В соответствии с этим процесс становится необратимым и получает устойчивый долговременный характер, поскольку указанное поле постоянно, а на смену разрядившимся (восстановленным) ионам поступают новые из других слоев раствора. Восстановленные водород и кислород всплывают к центру емкости 3, при необходимости разделяются сепаратором 10 и удаляются из нее через соответствующие каналы 7 и 8, отдавая раствору приобретенное ими количество движения, а тем самым обеспечивая снижение затрат механической энергии на приводе устройства.

Производительность заявленного устройства по водороду регулируется изменением частоты вращения емкости 3 или величины омического сопротивления внешней электрической нагрузки потребителя. При ее минимальном значении, то есть коротком замыкании (короткозамкнутость электродов), напряжение на электродах будет равно сумме концентрационной разности потенциалов и электродвижущей силе (ЭДС) центробежного поля, а если внешнее сопротивление возрастет, то адекватно увеличится напряжение на электродах и уменьшится ток на нагрузке потребителя. В этом отношении заявленное устройство существенно отличается от известных электрохимических и электромагнитных источников тока и преобразователей энергии.

Кроме того, следует отметить и и другие особенности рабочего процесса заявленного устройства.

Процесс разложения воды на кислород и водород за счет восстановления их ионов сопровождается уменьшением энтальпии раствора, в результате чего температура раствора постоянно снижается, и, если не восполнять теплопотери, то раствор замерзнет и процесс прекратится. По этой причине раствор подогревают. В случае, когда приток тепла недостаточен, температура раствора станет ниже температуры окружающей среды, и создадутся необходимые условия для поглощения внешнего тепла в режиме электрохимического теплового насоса. Данное устройство в этом режиме низкопотенциальную тепловую энергию превращает в высокопотенциальную химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода. Это дает возможность после их сжигания снова получить тепловую энергию, но уже более высокого потенциала, т.е. максимально сконцентрировать (трансформировать) для использования.

Следует обратить внимание на то, что подведенная к устройству тепловая энергия в результате совершения механической работы по деформированию гидратных связей ионов в водном растворе электролита параллельно полностью преобразуется в потенциальную химическую и электрическую энергии. Его общий КПД существенно больше, чем у прототипа, и в среднем составляет не менее 0,8. При вышеуказанной угловой скорости вращения емкости 3 полученная электроэнергия целиком затрачивается на преодоление внутреннего омического сопротивления самого устройства, а в случае превышения пороговой частоты избыток подведенной механической энергии порождает уже внешнюю силовую электрическую энергию (поскольку плотность тока достигает максимального значения или состояния насыщения, а напряжение неограниченно возрастает), которая, в свою очередь, уже способна производить работу на потребителе. Тем самым устройство приобретает свойства термохимического источника (генератора) электрического тока, работающего с побочным выделением свободных водорода, кислорода и поглощением тепла.

Таким образом, имеет место устройство для преобразования механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии.

Конструкция заявленного устройства для преобразования энергии достаточно проста. Оно изготавливается в условиях как единичного, так и серийного производства с использованием традиционных конструкционных материалов и известных электролитов. Обладая высокими удельными показателями, например массовой тепловой мощностью 17-40 кДж·кг^-1раствора, производительностью по водороду 15 - 35 моль · м^-2· с^-1 электрода и средней объемной электрической мощностью порядка 2,2 МВт · м^-3, это устройство может быть применено, например, в агрегате с ДВС автомобиля, трактора, тепловоза самолета, морского судна и других транспортных средств, повышая их топливную экономичность в два раза, с паровыми турбинами тепловых и атомных электростанций, а и автономном исполнении для утилизации промышленного тепла в металлургии или природного в сельском хозяйстве.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для преобразования энергии, например, путем электролиза, содержащее вращающуюся емкость с валом, заполненную раствором электролита, установленную на остове и связанную с приводом вращения, электроды, а и каналы подвода раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза, отличающееся тем, что устройство снабжено теплообменником, электроды или коротко замкнуты между собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии, а емкость установлена с возможностью обеспечения угловой скорости ее вращения, определяемой из следующего математического соотношения:



где q_a, q_k - электрические заряды аниона и катиона электролита, Кл, в стехиометрическом соотношении;

Т - абсолютная температура раствора, К;

m - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг;

- линейная концентрация тяжелых ионов, м^-1, = 10(С·N)^1/3,

где С - мольная концентрация раствора, моль · л^-1;

N - число Авогадро, моль^-1;

h - высота столба раствора, м;

К - степень диссоциации электролита, 10^-2%;

R - внутренний радиус емкости, м;

- температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К^-1;

₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф · м^-1;

- относительная диэлектрическая проницаемость воды;

r_в - эффективный радиус молекулы воды, м;

r_u - эффективный радиус тяжелого иона, м.

Версия для печати
Дата публикации 14.02.2007гг

НОВЫЕ СТАТЬИ И ПУБЛИКАЦИИ
	Технология изготовления универсальных муфт для бесварочного, безрезьбового, бесфлянцевого соединения отрезков труб в трубопроводах высокого давления (имеется видео)
	Технология очистки нефти и нефтепродуктов
	О возможности перемещения замкнутой механической системы за счёт внутренних сил
	Свечение жидкости в тонких диэлектрических каналох
	Взаимосвязь между квантовой и классической механикой
	Миллиметровые волны в медицине. Новый взгляд. ММВ терапия
	Магнитный двигатель
	Источник тепла на базе нососных агрегатов