Изобретение относится к энергетике, конкретно к устройствам для получения энергии из дымовых газов.

Известно устройство для получения энергии из дымовых газов (SU 1824510, МПК: F23L15/00, 1993), содержащее теплообменник, установленный в дымовой трубе теплоэлектростанции (ТЭЦ) и соединенный по выходу с турбиной ТЭЦ.

Недостатком известного устройства для получения энергии из газовых отходов является недостаточный коэффициент преобразования энергии дымовых газов в электрическую энергию, связанный с отбором только части тепла от дымовых газов. Другим недостатком известного устройства является недостаточная экологичность. Это объясняется тем, что дымовые газы ТЭЦ, являющиеся основным источником загрязнения атмосферы, содержат по ГОСТ 17.2.1.04-77 (RU) углекислый газ (CO ₂ ) - 93% и 7% - остальное в порядке убывания: сернистый газ, окислы азота, угарный газ, а также сажу, пылевые частицы, нередко радиоактивные элементы. При этом углекислый газ (CO ₂ ), составляющий основной процент дымовых газов, проходит через известное устройство практически без задержки и загрязняет атмосферу, вызывая в ней парниковый эффект.

Указанные недостатки устранены в устройстве для получения энергии из газов воздуха (US 69369761, НКИ: 315.111.91; 315.108, 2005), содержащем газовый реактор с источником накачки и патрубком для подвода газа в полость реактора, причем источник накачки реактора содержит генератор электромагнитных волн с резонатором и высоковольтный разрядник, электроды которого выведены в полость реактора.

При этом внутренняя полость реактора соединена через герметизированный патрубок (волновод) с выходом генератора электромагнитных волн. Корпус реактора выполнен из кварцевого стекла с двойными стенками и патрубками для соединения полости между стенками с теплообменником. Пространство между стенками заполнено теплоносителем, преимущественно водой, нагреваемой излучением плазмы газа, генерируемой в полости камеры. Нагретый теплоноситель может быть использован для получения механической и/или электрической энергии с помощью паровых турбин.

Недостатками этого устройства являются: относительно небольшая выходная мощность, связанная с недостаточной прочностью кварцевой камеры; трудностью оперативного управления выходной мощностью газового реактора, связанная с неустойчивостью и относительно большим требуемым временем формирования «энepгeтичecкoгo ядpa» плазмы в недостаточно прочном стеклянном сосуде; а также относительно большие габариты, обусловленные ограничениями на прочность корпуса реактора (на удельную энергию давления на стенки стеклянного сосуда в зоне реакции).

Технической задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и, в первую очередь, повышение выходной мощности устройства, возможность управления его энергетикой в реальном масштабе времени.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой, задачи является импульсная активация газового реагента и регулировка средней выходной мощности устройства частотой следования импульсов активации.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи достигается тем, что устройство для получения энергии из дымовых газов, содержащее газовый реактор с источником накачки и патрубком для подвода газа в полость реактора, причем источник накачки реактора содержит генератор электромагнитных волн с резонатором и высоковольтный разрядник, электроды которого выведены в полость реактора, согласно изобретению оно дополнительно содержит преобразователь энергии плазмы реактора в электрическую энергию, корпус реактора выполнен из тугоплавкого диэлектрического материала и установлен в резонаторе генератора электромагнитных волн, при этом входной патрубок для подвода газа в полость камеры снабжен обратным клапаном, преобразователь энергии плазмы реактора в электрическую энергию выполнен в виде сопла с индуктивной обмоткой и установлен на выходе реактора, причем индуктивная обмотка сопла соединена с питающим входом источника накачки и с выходом устройства. При этом тугоплавкий диэлектрический материал корпуса камеры выполнен из фарфора или керамики. Тугоплавкие электроды выполнены из вольфрама или графита. Источник накачки выполнен импульсным, а частота его электромагнитных волн и/или импульсов разряда выбрана равной одной или нескольким резонансным частотам поглощения молекул и атомов дымовых газов. Выполнение корпуса реактора из тугоплавкого диэлектрического материала и установка его в резонаторе магнетрона позволяет осуществлять электромагнитную накачку газового реагента через радиопрозрачный корпус газового реактора в более длинноволновой области спектра резонансных частот поглощения электромагнитных волн (ЭМВ). Это позволяет использовать для накачки мощные магнетроны и клистроны с большим КПД по сравнению с коротковолновыми источниками ЭМВ и одновременно упростить конструкцию устройства в целом.

Введение преобразователя энергии плазмы реактора в электрическую энергию, выполненного в виде сопла с индуктивной обмоткой и установленного на выходе реактора, позволяет непосредственно преобразовывать энергию плазмы утилизируемых газов в электрическую энергию. Соединение индуктивной обмотки сопла с питающим входом источника накачки, и с выходом устройства позволяет обеспечить электроэнергией собственные потребности по инициированию реакции горения дымовых газов и электроснабжению внешних потребителей энергии. Выполнение источника накачки импульсным, выбор частоты его электромагнитных волн и/или импульсов разряда равной одной или нескольким резонансным частотам поглощения молекул и атомов дымовых газов, а также ограничение релаксации плазмы путем экранирование зоны реакции от внешней нейтральной среды позволяют снизить энергозатраты на активацию лавинной химической реакции и одновременно повысить выходную энергию газового реактора.

На фиг. 1 представлена конструкция устройства для получения энергии из дымовых газов, на фиг. 2 - его поперечный разрез.

Устройство для получения энергии из дымовых газов содержит газовый реактор 1 с источником 2 накачки, патрубком 3 для подвода газа в полость реактора 1 и соплом 4 для вывода плазмы из зоны реакции. Источник 2 накачки реактора 1 содержит генератор электромагнитных волн, например магнетрон 5 и высоковольтный разрядник 6, электроды 7 которого выведены в полость реактора, а модулирующий выход 8 соединен с катодом 9 магнетрона 5. Выход электромагнитных волн (ЭМВ) магнетрона 5 соединен волноводом 10 с резонатором 11, через полость которого проходит газовый реактор 1. Корпус реактора 1 выполнен цилиндрической формы из тугоплавкого диэлектрического (радиопрозрачного) материала, например из фарфора и/или керамики. С одной из торцевых сторон реактора 1 установлен входной патрубок 3 для подвода газового реагента, а с другой торцевой стороны - сопло 4. Патрубок 3 снабжен обратным клапаном 12, а сопло 4 снабжено индуктивной обмоткой 13, образуя источник 14 электрической энергии, соединенный с питающим входом источника 2 накачки и с внешними потребителями электроэнергии. Высоковольтный разрядник 6 выполнен в виде индуктивного или емкостного накопителя энергии с регулируемой частотой следования модулирующих магнетрон 5 импульсов и пачек разрядных импульсов, подаваемых на электроды 7. Частота f _м высокочастотных электромагнитных колебаний в каждом импульсе магнетрона 5 и частота f _н разрядных импульсов в пачке выбраны соответствующими одной или нескольким резонансным частотам f ₀ (линиям Фраунгофера) поглощения (JOURNAL OF RESEARCH оf thе Nаtiопаl Вurеаu оf Stапdаrds Рhusisеs апd Сhеmistrу. VoI. 67A, 3, Мау-Juпе, 1963; Яманов Д. H. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций.- M: МГТУ ГА, 2005. 100 с) электромагнитных волн дымовым газом (CO ₂ - реагентом и его примесями), введенным в полость реактора 1. Объем внутренней полости (камеры) газового реактора 1 выбран из условия достаточности энергетики источника накачки 1 для резонансной активации дымового газа и исключения разрыва камеры 1 при взрыве заключенной в ней массы газового реагента.

Устройство для получения энергии из дымовых газов работает следующим образом. На накопитель 6 энергии подают напряжение питания U _{поджига} - Одновременно дымовые газы через открытый в нормальном состоянии клапан 12 заполняют полость газового реактора 1. При выходе высоковольтного разрядника 6 на рабочий режим последний с периодом T следования выдает высоковольтные импульсы модуляции отрицательной полярности и длительностью τ на катод 9 магнетрона 5. Одновременно с таким же периодом следования на электроды 7 газового реактора выдаются пачки разрядных импульсов длительностью τ и с частотой f _н накачки, соответствующей или кратной резонансной частоте f ₀ поглощения газового реагента. Под воздействием разности потенциалов > 30 кВ/см между электродами 7 газового реактора 1 происходит электрический пробой газового реагента и образование стримера - трассы из носителей тока (ионов и электронов) с плотностью зарядов порядка 10 ^"7 см ^"3 . Одновременно магнетрон 5 под воздействием высоковольтных импульсов накачки вырабатывает пачки высокочастотных электромагнитных волн накачки (ЭМВ) с частотой f _м = f ₀ и с плотностью энергии не менее 1 Дж/см ² ' и передает их по волноводу 10 в резонатор 11 для электромагнитной накачки ионизированного газового реагента в камере газового реактора 1. При этом за счет резонансного поглощения энергии ЭМВ и ударной ионизации происходит разрыв молекулярных связей и молекул CO ₂ на составные элементы

CO ₂ = C+O ₂ (1);

C = C_+ e (2);

O ₂ =(OeO) — >O ₊ +(Oe) =O ₊ +O. (3), где:

С = (Ce)- нейтральный атом углерода, имеющий один электрон связи на каждый атом в углеродной цепочке топлива;

O ₂ =(OeO)- молекула кислорода, имеющая один электрон связи между двумя атомами молекулы;

C- , O- - отрицательные ионы углерода и кислорода соответственно; O ₊ - положительный ион. Электродинамическое взаимодействие ионов C- и O ₊ вызывает реакцию горения (окисления углерода) с образованием окиси углерода и тепла Q ₁

C- + O ₊ - СО + Q ₁ (4).

Выделяющееся в результате реакции 4 малоустойчивое к «cтpиммepнoй» ионизации образование СО, выделенное тепло Q, а также резонансное воздействие на ионизированную среду энергией ЭМВ и электрического разряда источника 2 накачки способствуют развитию дальнейшего процесса ионизации и разрушению атомов и ионов кислорода с образованием дефицита их массы lϊl. Повышение в реакторе 1 плотности носителей зарядов до 10 ¹⁴ см ^"3 приводит к инициированию «киcлopoднoй реакций))

O ₂ = O ₊ +e+O ₊ +Q ₂ , (5) сопровождающейся взрывным разрушением молекул кислорода, выделением свободного электрона их связи и квантовой энергии Q ₂ вторичного ионизирующего излучения от ультрафиолетового до мягкого рентгеновского диапазона электромагнитных волн, приводящих к лавинной ионизации газового реагента в реакторе 1 и к полному отрыву электронов от положительно заряженных ядер атомов кислорода и других составляющих дымовых газов. Наличие в дымовых газах небольшого процента азота, связывающего часть кислорода в реакторе 1, несколько снижает скорость реакции (5) из-за того, что молекулы азота, имея отрицательный избыточный заряд окружают часть молекул кислорода, имеющих положительный избыточный заряд, образуя агрегаты из кислорода, экранированного азотом от действия ионизирующих воздействий. Если первичное (от источника 2 накачки) и/или вторичное (результат «киcлopoднoй реакции))) ионизирующее воздействие достаточно для разрушения азота, молекула которого в два раза прочнее молекулы кислорода, так как имеет не один, а два электрона связи, то азот при этом разрушается не только на атомы, но и фрагменты, представляющие другие химические элементы в азотной реакции

N2 — >C,O,H. (6)

Освобожденные от электронных оболочек положительно заряженные ядра атомов прореагировавших газов объединяются (за счет свободы движения и возможности приближения к границе действия мощных гравитационных сил) в общее положительное ядро 15 и облако электронов 16 над объединенным ядром 14. В работах (www.blасklighроvеr.соm) Миллса Р.Л. (США) объединение ядер и скачкообразное повышение энергии газовой плазмы объяснятся туннельным эффектом, в работах (www.сhukапоvепеrgу.соm) Чуканова К.Б. (Болгария) - неизвестными ранее из классической физики законами материального мира. При этом ввиду затруднения доступа нейтральных атомов в зону реакции из внешней среды (преобладания процесса ионизации над процессом релаксации) и объединения ядер в одну общую массу электроны скачкообразно оказываются на высоких энергетических уровнях относительно удаленных от них ядер. При переходе возбужденных электронов на нижестоящие энергетические орбиты происходит выделение квантовой энергии, дополнительно вызывающей мгновенный нагрев газового реагента в камере 1 и выделение энергии через сопло 4 преимущественно в форме кинетической энергии плазмы. Проходящая через полость сопла 4 плазма наводит в индуктивной обмотке 13 импульсный электрический ток, который подается в накопитель 2 для преобразования в форму, удобную для электропитания магнетрона 5 и разрядника 6, а также для электропитания внешних потребителей электроэнергии. После выхода плазмы и из камеры 1 в ее полости образуется вакуумное разряжение. Образование вакуума приводит к отрыванию обратного клапана 12 и забору очередной партии газового реагента через патрубок 3 в полость реактора 1. Далее импульсный режим работы газового реактора повторяется. Выходная мощность электрической энергии устройства для получения энергии из газовых отходов регулируется частотой следования импульсов накачки устройства 2 (на фигурах не показано).

Указанное изобретение не ограничивается выше приведенным примером его осуществления. В рамках указанного изобретения возможна активация газового реагента при различных сочетаниях параметров и видов источников ЭМВ и газовой среды. Так для уменьшения энергетических затрат на возбуждение газового реагента могут быть использованы катализаторы. В качестве источников ЭМВ могут использоваться магнетроны, клистроны и другие источники ЭМВ, спектр излучения которых совпадает с линиями поглощения молекул и атомов газового реагента и свободно проходит через радиопрозрачный корпус реактора 1. В качестве самостоятельных источников энергии и одновременно объектов утилизации могут быть использованы негорючие в нормальных условиях газы сернистый газ, окислы азота, угарный газ, а также сажа и пылевые частицы в парах воды.

Изобретение разработано на уровне технического предложения и физического моделирования активации газовой среды комплексным воздействием СВЧ - излучения и электрического разряда в изолированном от внешней среды объеме.