Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR PRODUCING THERMAL AND ELECTRICAL ENERGY AND DEVICE FOR IMPLEMENTING SAID METHOD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/147703
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to electrical power engineering and can be used for the production of autonomous sources of thermal and electrical energy. The required technical result, which consists in increasing the effectiveness of the generation of thermal energy whilst at the same time producing electrical energy, is achieved in a method based on the generation of a high-voltage electrical discharge between an anode electrode and a cathode electrode which are mounted in series, said electrical discharge being formed from a hydride-forming metal, and forming a vortex flow of inert gas along the axis between the anode electrode and the cathode electrode in the direction of the cathode electrode with hot steam being injected into this flow, wherein the high-voltage electric discharge between the anode electrode and the cathode electrode is generated by means of the supply of a combined voltage to said electrodes, said combined voltage comprising a DC component and a radiofrequency component, the cathode electrode is in the form of a nozzle with an opening for the discharge of hot steam, and at least one pair of electrode probes for drawing electrical energy is mounted between the electrodes, one of said electrode probes being arranged on the axis of the vortex flow, and the other being arranged at the periphery thereof. The device for implementing the method comprises: a quartz tube in which an electrode anode and an electrode cathode are mounted in series on one axis, with an electrical energy generator being connected to said electrode anode and said electrode cathode, wherein the electrode cathode is formed from a hydride-forming metal; a generator of a vortex flow of inert gas, which is mounted at the inlet end of the quartz tube and is capable of generating a vortex flow of inert gas along the axis between the anode electrode and the cathode electrode in the direction of the cathode electrode; and also at least one pair of electrode probes, which are capable of drawing electrical energy, one of which electrode probes is arranged on the axis between the anode electrode and the cathode electrode, and the other of which is arranged at the periphery of the vortex flow, wherein the electrode anode is in the form of a steam injector, the electrode cathode is in the form of a nozzle with an opening for discharging hot vapour, and an electrical energy generator, which is connected to the electrode anode and the electrode cathode, is capable of generating a combined voltage comprising a DC component and a radiofrequency component.

Inventors:
GRIGORENKO, Anatoly Vladimirovich (ul. Oktyabrskaya, 1Tbilissky rayon, Krasnodarsky kra, stanitsa Geymanovskaya 2, 352352, RU)
SIDORENKO, Maksim Konstantinovich (ul. Mayakovskaya, 22 kv. 130,Moskovskaya obl, Zheleznodorozhny 2, 143982, RU)
TOLKUNOV, Boris Nikolaevich (Shkolny bulvar, 18 kv. 102,Moskovskaya obl., Noginsky rayo, Chernogolovka 2, 142432, RU)
KLIMOV, Anatoly Ivanovich (Osenny bulvar, 6 kv. 34, Moscow 9, 121609, RU)
EVSTIGNEEV, Nikolai Mikhailovich (ul. Festivalnaya, 5 kv., Moscow 5, 125565, RU)
Application Number:
RU2015/000177
Publication Date:
October 01, 2015
Filing Date:
March 26, 2015
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
LIMITED LIABILITY COMPANY "NEW INFLOW" (Leninsky prosp, 128 korp., Moscow 5, 119415, RU)
International Classes:
F24J1/00
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ получения тепловой и электрической энергии, основанный на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом и катодным электродом, выполненного из гидридообразующего металла, отличающийся тем, что, формируют вихревой поток инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод и инжектируют в этот поток горячий водяной пар, при этом, высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара, а между электродами устанавливают, по крайней мере, одну пару зондов-электродов для снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси вихревого потока, а другой - на его периферии.

2. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее кварцевую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор электрической энергии, при этом, электродный катод выполнен из гидридообразующего металла, отличающееся тем, что, введен формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом, электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие.

Description:
Способ получения тепловой и электрической энергии

и устройство для его реализации

Область техники

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано при создании автономных источников тепловой и электрической энергии, работа которых основана на использовании взаимодействия ионизированного водорода с нано-кластерными металлическими частицами в вихревом потоке рабочего газа (инертного газа и водяного пара), когда в качестве основного поставщика ионизированного водорода используется водяной пар, прошедший зону электрического разряда, а поставщиком нано-кластерных металлических частиц являются эрозирующий катод в этом разряде

Предшествующий уровень техники(в отношении обьекта-способ)

Известен способ [RU 2448409, С2, Н03К 3/37, 20.04.2012], заключающийся в том, что водород пропускают через разрядное устройство, содержащее, по меньшей мере, два электрода анод и катод, расположенные последовательно по потоку водорода, на анод подают импульсное напряжение, достаточное для возникновения стримерного разряда, а с катода снимают импульсное напряжение для конвертирования и передачи потребителю, причем, импульсное напряжение подают с частотой от 35 до 45 кГц, величина импульсного напряжения, подаваемого на анод, составляет от 13 до 19 кВ, стримерный разряд поддерживают со средним током от 0,5 до 1,0 А, а водород пропускают через разрядное устройство со скоростью потока от 85 до ПО м/с и направлением от катода к аноду, а прошедший через разрядное устройство водород возвращают на вход в разрядное устройство.

Недостатком способа является относительно низкий уровень получаемой тепловой энергии, а также относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного получения и электрической энергии.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату является способ получения тепловой энергии [Карабут А.Б., Кучеров Я.Р. Савватимова И.Б. Выход тепла и продуктов ядерных реакций из катода тлеющего разряда в дейтерии, с. 124-131.- Материалы 1 Российской конференции по холодному ядерному синтезу (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], основанный на формировании в среде водорода (дейтерия) высоковольтного электрического разряда между электродами, один из которых - катод выполнен из гидридообразующего металла палладия при токе разряда от 5 до 25 мА, напряжении разряда 500 - 700 В и давлении газа 5 Торр.

Генерация тепла происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом катода с образованием гидрида палладия, что сопровождается генерацией тепловой энергии ионизации водорода (дейтерия) в плазме высоковольтного электрического разряда, возникающего между электродами. Количество генерируемого тепла (тепловая мощность) , рассчитываемая по количеству выделившегося тепла, снимаемого с водоохлаждаемых э л ектр о держателей составляет 300 Вт. Удельная тепловая мощность, отнесенная к габаритам (объему) реактора (кварцевой трубе диаметром 50 мм и длиной 500 мм) составляет 0,3 Вт/см 3

Недостатком наиболее близкого по своей технической сущности способа к предложенному является относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии, а также относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного получения и электрической энергии.

Раскрытие сущности(в отношении объекта - способ)

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение на способ, заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии при одновременном расширении области применения путем обеспечения возможности получения и электрической энергии.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии с одновременным расширением области применения путем обеспечения возможности получения и электрической энергии.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается, тем, что, в способе, основанном на формировании высоковольтного электрического разряда между установленными последовательно анодным электродом и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, согласно изобретению на способ, формируют вихревой поток инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод и инжектируют в этот поток горячий водяной пар, при этом, высоковольтный электрический разряд между анодным и катодным электродами формируют путем подачи на них комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие, катодный электрод выполняют в форме сопла с отверстием, через которое осуществляется выпуск горячего водяного пара, а между электродами устанавливают, по крайней мере, одну пару зондов-электродов для снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси вихревого потока, а другой - на его периферии.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками способа и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что, между электродами формируют вихревой поток инертного газа и горячего водяного пара, что вызывает интенсивное образование и сепарацию ионизированного водорода и существенно более мощное (по сравнению с прототипом) образование кластерных металлических частиц (продуктов эрозии катодного электрода), излучаемых материалом, из которого изготовлен электродный катод. В результате, с помощью электрического разряда, имеющего как постоянную, так и переменную составляющие, образуется мощный поток ионизированного водорода. Это обусловливает более высокую эффективность генерации л

4 тепловой энергии относительно способа - прототипа. Вихревой поток позволяет стабилизировать электрический разряд, концентрировать на оси водород (диссоциированный из водяного пара) и разделять ионы на положительные и отрицательные для возможности снятия электрической энергии с помощью пар зондов-электродов

Предшествующий уровень техники(в отношении объекта-устройство)

Известны устройства для получения тепловой энергии.

В частности, известен генератор высокого напряжения [RU 2155443, С2, Н03К 3/537, 27.08.2000], содержащий генератор Маркса, имеющий п каскадов, каждый из которых включает в себя переключатель в виде искрового промежутка, а также источник зарядки, соединенный с первым каскадом генератора Маркса, а также устройство, предназначенное для периодической задержки действия источника зарядки, при этом, ширина искрового промежутка в переключателе первого каскада меньше, чем у остальных переключателей, переключатели в виде искрового промежутка помещены в цельную разрядную трубку, наполненную газообразным водородом под давлением, источником зарядки является источник зарядки конденсатора, а устройство для периодической задержки действия источника зарядки включается посредством устройства, чувствительного к разрядке генератора Маркса.

Недостатком устройства является относительно низкий уровень возникающей в процессе работы устройства получаемой тепловой энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному, является устройство [Карабут А.Б., Кучеров Я.Р. Савватимова И.Б. Выход тепла и продуктов ядерных реакций из катода тлеющего разряда в дейтерии, с. 124- 131.- Материалы 1 Российской конференции по холодному ядерному синтезу (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], содержащее заполненную водородом кварцевую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор высокой частоты, и которые снабжены водоохлаждаемыми электродержателями, при этом, электродный катод выполнен из гидридообразующего металла палладия.

Генерация тепла происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом катода с образованием гидрида палладия, что сопровождается генерацией тепловой энергии ионизации водорода (дейтерия) в плазме высоковольтного электрического разряда, возникающего между электродами. Образующееся тепло снимается с водоохлаждаемых электродержателей.

Недостатком наиболее близкого по своей технической сущности устройства является относительно низкая эффективность получения тепловой энергии и относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что отсутствует возможность одновременного получения и электрической энергии. Раскрытие сущности(в отношении объекта - устройство)

Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение на устройство, заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии и обеспечение возможности одновременного получения и электрической энергии.

Требуемый технический результат заключается в повышении эффективности генерации тепловой энергии и возможности одновременного получения и электрической энергии.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается, тем, что, в устройство, содержащее кварцевую трубу, в которой последовательно установлены на одной оси электродный анод и электродный катод, к которым подключен генератор электрической энергии, при этом, электродный катод выполнен из гидридообразующего металла, согласно изобретению на устройство, введен формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом, электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие.

Причинно-следственная связь между вновь введенными существенными признаками устройства и достижением требуемого технического результата объясняется тем, что, введенные технические средства (формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока, при этом, электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие), позволяющие с помощью электрического разряда, имеющего как постоянную, так и переменную составляющие, образовать мощный поток ионизированного водорода. Это обусловливает более высокую эффективность генерации тепловой энергии относительно способа - прототипа, а также возможность получения электрической энергии. Вихревой поток помогает разделить тяжелые и легкие ионы и электроны и сконцентрировать поток водорода на оси вихря, где установлены анодный и катодный электроды реактора. Тем самым, обеспечивается режим оптимального взаимодействия потока легких ионов водорода и эрозионных нано-частиц, вылетающих из материала катодного электрода. А возможность снятия электрической энергии обеспечивается парой зондов-электродов, представляющих собой электроды выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на периферии вихревого потока. Вихревой поток позволяет стабилизировать электрический разряд, концентрировать на оси водород (диссоциированный из водяного пара) и разделять ионы на положительные и отрицательные для возможности снятия электрической энергии с помощью этих пар зондов-электродов.

Принцип осуществления^ отношении объекта-способ)

Предложенный способ получения тепловой и электрической энергии заключается в следующем.

Способ получения тепловой и электрической энергии основан на использовании взаимодействия ионизированного водорода с нано- кластерными металлическими частицами (продукты эрозии металла) в вихревом потоке инертного газа и водяного пара. В качестве основного поставщика ионизированного водорода используется инжектированный в вихрь водяной пар, диссоциированный и ионизированный в реакторе (например, в кварцевой трубе) с помощью неравновесного импульсно- периодического электрического разряда. Этот же электрический разряд используется для производства нано-размерных металлических кластеров с помощью эрозии электродного катода. Вихревой поток помогает разделить тяжелые и легкие ионы и электроны и сконцентрировать поток водорода на оси вихря, где установлены анодный и катодный электроды реактора. Тем самым, обеспечивается режим оптимального взаимодействия потока легких ионов водорода и эрозионных нано-частиц, вылетающих из материала катодного электрода.

Возможно дополнительное производство электрической энергии из высокоскоростного потока гетерогенного плазменного потока (ионы водорода + горячие ионизованные эрозионные нано-частицы) с высокой проводимостью из выходного сопла реактора - сопла с отверстием для выпуска горячего пара, в виде которого выполнен электродный катод. Вихревой поток позволяет стабилизировать электрический разряд, концентрировать на оси водород (диссоциированный из водяного пара) и разделять ионы на положительные и отрицательные для возможности снятия электрической энергии с помощью этих пар зондов-электродов. Разделение ионов по массе в вихревом потоке приводит к возникновению электрической энергии, которая проявляется в виде разности потенциалов на оси вихревого потока и его периферии. Эффективный съем электрической энергии может быть осуществлен с помощью пар зондов-электродов, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на переферии вихревого потока.

Описанный способ может быть реализован в предложенном устройстве для получения тепловой и электрической энергии.

Принцип осуществления^ отношении объекта-устройство)

На чертеже представлен пример выполнения устройства для получения тепловой и электрической энергии.

На чертеже обозначены: 1 - кварцевая труба, например, диаметром 50 мм и длиной 500 мм, 2 - формирователь вихревого потока инертного газа, 3 - электродный анод, выполненный в виде инжектора водяного пара, 4 - электродный катод в виде сопла с отверстием для выпуска горячего газа, 5 - генератор электрической энергии, пара 6 зондов-электродов.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии в кварцевой трубе 1 , выполненной, например, с диаметром 50 мм и длиной 500 мм, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3 и электродный катод 4, к которым подключен генератор 5 электрической энергии. Генератор 5 электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, может быть выполнен, например, в виде генератор ВЧ с источником постоянного тока (6кВ, 2,5А) с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Кроме того, в устройстве для получения тепловой и электрической энергии электродный катод 4 выполнен из гидридообразующего металла, формирователь 2 вихревого потока инертного газа установлен на входном конце кварцевой трубы 1 и выполнен с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом 3 и катодным электродом 4 в направлении на катодный электрод 4, пары 6 зондов-электродов могут быть выполнены в виде стандартных электродов с возможностью снятия электрической энергии. Для максимально эффективного снятия электрической энергии один из которых размещают на оси вихревого потока между анодным электродом 3 и катодным электродом 4, а другой - на периферии вихревого потока.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии электродный анод 3 выполнен в виде инжектора водяного пара и подключен, например, к генератору 7 водяного пара, электродный катод 4 выполнен в виде сопла 8 с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор 5 высокой частоты, подключенный к электродному аноду 3 и электродному катоду 4, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие. Такое выполнение генератора 5 позволяет создать неравновесный импульсно- периодический электрический разряд между электродными анодом 3 и катодом 4, что обеспечивает эффективное создания нано-размерных эрозионных металлических частиц (материала эрозии катодного электрода 4).

Работа устройства

Устройство для реализации предложенного способа получения тепловой и электрической энергии работает следующим образом.

В частном примере выполнения устройства кварцевая труба 1 имеет диаметр 50 мм и длину 500 мм, анодный электрод 3 выполнен из молибденового сплава на стальной шпильке, катодный электрод 4 выполнен в виде запорного конуса - сопла с отверстием для выпуска горячего газа, а генератор электрической энергии выполнен с источником питания 6кВ, 2,5 А.

Молекулы водяного пара диссоциируются и ионизируются в плазме, созданной высоковольтным комбинированным электрическим разрядом между анодным 3 и катодным 4 электродами благодаря подключению к ним генератора 5 электрической энергии. Вихревой поток разделяет ионы по массе. Поэтому на оси вихря концентрируется ионизированный поток водорода. Электрический разряд используется также для создания нано- размерных эрозионных металлических частиц (материал эрозии катодного электрода 4). В рабочей камере реактора (в кварцевой трубе 1) происходит эффективное взаимодействие этих нано-кластеров и потока ионизированного водорода. Это вызывает получение гидридов металлов, в которых могут происходить низкоэнергетические ядерные реакции. На выходе получается сильно разогретый гетерогенный плазменный поток с высокой проводимостью (Т П ~3000-4000К). Именно такой горячий поток используется для получения тепла горячего газа в реакторе и электрической энергии с помощью пар зондов-электродов, один из которых устанавливают на периферии вихревого потока, а другой на его оси.

Проведенные исследования на экспериментальной установке позволяют произвести сопоставление результатов применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства.

Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ выходная тепловая мощность достигала 300 Вт, что соответствует удельной тепловой мощности (мощности, отнесенной к габаритам (объему) реактора (кварцевой трубе диаметром 50 мм и длиной 500 мм)) составляла 0,3 Вт/см 3 .

В то же время, в процессе экспериментальных работ на предложенной установке авторами при диапазоне мощности, вложенной в разряд, до 3 кВт, и начальном давлении до 2 атм, выходная тепловая мощность достигала 5 кВт, что соответствует величине удельной тепловой мощности равной 5,1.

Как следует из приведенных данных, предложенный способ и устройство для получения тепловой и электрической энергии обеспечивают в сравнении с известным способом и устройством повышение эффективности генерации тепловой энергии и одновременно расширяются область применения способа и функциональные возможности устройства путем обеспечения возможности получения одновременно и электрической энергии Таким образом, благодаря использованию новых операций способа (частности тем, что, между электродами формируют вихревой поток водяного пара в направлении катода, который выполняют виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара), существенно увеличивается эффективность генерации тепловой энергии, поскольку водяной пар вызывает мощное образование гидрида эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом катода водяного пара с образованием гидрида металла, из которого изготовлен электродный катод, и одновременно обеспечивается генерация электрической энергии.

Кроме того, благодаря введению новых технических средств в устройство-прототип (в частности, тем, что введены формирователь вихревого потока инертного газа, установленный на входном конце кварцевой трубы и выполненный с возможностью формирования вихревого потока инертного газа вдоль оси между анодным электродом и катодным электродом в направлении на катодный электрод, а также, по крайней мере, одна пара зондов-электродов, выполненных с возможностью снятия электрической энергии, один из которых размещают на оси между анодным электродом и катодным электродом, а другой - на переферии вихревого потока, при этом, электродный анод выполнен в виде инжектора водяного пара, электродный катод выполнен в виде сопла с отверстием для выпуска горячего пара, а генератор электрической энергии, подключенный к электродному аноду и электродному катоду, выполнен с возможностью формирования комбинированного напряжения, включающего постоянную и высокочастотную составляющие) существенно увеличивается эффективность генерации тепловой энергии, поскольку формируемый вихревой поток пара вызывает более мощное образование гидрида эрозионных частиц (нанокластеров), излучаемых материалом, из которого изготовлен электродный катод, и одновременно обеспечивается генерация электрической энергии, которая снимается с помощью зондов-электродов.