СТЕПАНЕНКО, Юрий Михайлович (ул. Щорса 46-28, Чернигов, Chernigov, 14000, UA)
DETSJURA, Fedor Aleksandrovich (ul. Gorkogo, 17b-32 Chernigov, 14000, UA)
ДЕЦЮРА, Федор Александрович (ул. Горького 176-32, Чернигов, Chemigov, 14000, UA)
ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ "АБ" (ул. Центральная 13A, р.п. Сосновка Сосновский р-н, Тамбовская обл, 0 Sosnovka, 393840, RU)
SТЕРАNЕNКО, Juriу Мikhауlоviсh (ul. Тshоrsа, 4b-28 Сhеrnigоv, 14000, UA)
СТЕПАНЕНКО, Юрий Михайлович (ул. Щорса 46-28, Чернигов, Chernigov, 14000, UA)
DETSJURA, Fedor Aleksandrovich (ul. Gorkogo, 17b-32 Chernigov, 14000, UA)
| ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ получения тепловой энергии, включающий фор- мирование электроплазменных зон в теплогенерирующей сборке путем пропускания электрического тока, через материалы, со- ставляющие теплогенерирующую сборку с использованием в те- плогенерирующей сборке для формирования электроплазменных зон радионуклидов и осуществление теплосъема из теплогенери- рующей сборки, отличающийся тем, что создают в теплогенери- рующей сборке двойной конденсаторный электрический слой, формируют на поверхности, по меньшей мере, одного из элек- тродов, выполненных из электропроводящего материала, покры- тие из измельченного материала, в который входят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, обеспечивают частич- ную диффузию составляющих указанного покрытия в поверх- ность покрываемого электрода, создают непроводящую электри- ческий ток пленку в зоне нанесения сформированного покрытия, ионизируют зону двойного конденсаторного электрического слоя и возбуждают электрический разряд путем подачи напряжения, а после развития плазменного разряда в зоне двойного конденса- торного электрического слоя осуществляют теплосъем. 2. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что плазменный разряд возбуждают путем подачи пе- ременного напряжения в пределах от 20 до 60 вольт. 3. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что теплосъем осуществляют обливанием зоны фор- мирования плазменного разряда жидкостью. 4. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что теплосъем осуществляют обдуванием зоны фор- мирования плазменного разряда газом. 5. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что применяют дополнительный элемент, который формируют из тугоплавких материалов, и размещают в зоне теп- логенерации, а теплосъем осуществляют из указанного элемента из тугоплавких материалов. 6. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что покрытие из измельченного материала, в кото- рый входят радионуклиды или частицы с электретными свойст- вами, формируют способом детонационного напыления. 7. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что покрытие из измельченного материала, в который входят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, формируют с использованием дугового разряда. 8. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что покрытие из измельченного материала, в который входят радионуклиды, или частицы с электретными свойствами, формируют в виде отдельных, не соединенных между собой пя- тен. 9. Способ получения тепловой энергии по п. 1, отличаю- щийся тем, что толщину покрытия из материала, в который вхо- дят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, формируют в пределах от 10 до 150 мкм. |
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
Область техники
Изобретение относится к физико-химическим технологи- ям получения тепла, которое генерируется иначе, чем в процессах горения и может быть использовано в промышленности, а также при создании бытовых нагревателей.
Предшествующий уровень техники
Известен способ получения теплового излучения (патент СА2124364, МПК F24J 3/00, дата публикации 27.11.1995) в соот- ветствии с которым в центральной части шаровой полости соз- дают электрический разряд, ударная волна от которого концен- трируется на шаровой поверхности и отражается в зону форми- рования разряда, что, при определенной частоте разрядов и свя- занных с ними волн сжатия, создает в центральной части шаро- вой полости зону повышенного давления, формирует плазму и повышает электронную температуру в зоне разряда, позволяю- щую повысить параметры теплового излучения.
Недостатком такого способа является то, что формирова- ние излучения в способе требует значительного потенциала элек- троэнергии, высоких токов и узкого интервала частот разрядов, что усложняет управление процессом и ограничивает сферу при- менения такого способа. Применение жесткой шаровой поверх- ности вокруг сформированной плазмы для отражения ударных волн, накладывает ограничения на использование полученного в способе теплового излучения.
Известен способ получения нагретого теплоносителя с применением плазмы (патент RU2165561, МПК F24J 3/00, дата публикации: 20.04.2001) в соответствии с которым формируют дуговой разряд, подают в зону дугового разряда воду и за счет ее нагрева дугой формируют пар, который подают в камеру сгора- ния, где образуется плазменный факел и полученные в два этапа тепловой обработки продукты используют как источник тепловой энергии.
Способ, работающий на указанной форме разряда (на ука- занном принципе дугового разряда) имеет ряд недостатков. Об- щеизвестным недостатком такого способа является то, что фор- мирование дугового разряда в способе требует значительного по- тенциала электроэнергии и высоких токов. При применении обычного способа зажигания дуги для зажигания тлеющего раз- ряда нужно при атмосферном давлении напряжение порядка де- сятков киловольт.
В способе сложно управлять дугой. Требуются дополни- тельные специальные (общеизвестные) средства для зажигания дуги и для преодоления проблемы малой устойчивости дугового разряда. Существование дугового разряда в способе связано с ус- коренным разрушением электродов и с переменным расстоянием между электродами. Малый разрядный промежуток (небольшое расстояние между анодом и катодом при атмосферных условиях) создает проблемы с подачей в его зону нагреваемой воды, вслед- ствие чего малая производительность процесса накладывает ог- раничения на единичную мощность устройства реализующего такой способ.
Наиболее близким к изобретению является способ получе- ния тепловой энергии (патент UA 30564, МПК F24J 3/00, дата публикации 25.02.2008), предусматривающий создание теплоге- нерирующей сборки с формированием теплогенерирующего эле- мента, в качестве которого используют электреты, которые фор- мируют из смеси минералов, с использованием природных ра- дионуклидов, формирование электроплазменных зон в теплоге- нерирующем элементе (в порах между частицами теплогенери- рующего элемента) путем пропускания через него электрическо- го тока и осуществление теплосъема с наружной поверхности ог- раждения теплогенерирующей сборки.
Существенным недостатком известного способа является большой объем используемых в техническом решении радионук- лидов, которые в таком решении применяются для создания ос- новной массы насыпного теплогенерирующего элемента.
Усложняет процесс использования решения пористое со- стояние теплогенерирующего элемента, который вследствие это- го характеризуется низкими прочностными свойствами.
Способ связан с необходимостью длительного периода предварительного выдерживания изготовленного по способу теп- логенерирующего элемента (в муфельной печи при температуре 900-1100°С до трех суток) перед практическим использованием.
Способ характеризуется существенным загрязнением теп- лоснимающего вещества радионуклидами вследствие их наличия и их высокого содержания в объеме теплогенерирующего эле- мента, что усложняет процесс теплосъема и ограничивает сферу использования теплоснимающего вещества. Применение проме- жуточного (ограждающего) экрана теплогенерирующей сборки, для снижения загрязнения теплоснимающего вещества радионук- лидами, содержащимися в теплогенерирующем элементе допол- нительно ухудшает процесс теплосъема, снижает потенциал сни- маемого тепла.
В таком способе возможно применение только кондукци- онного способа теплосъема с внешних элементов ограждения те- плогенерирующей сборки. Невозможность использования ряда свойств излучения, возникающего во внутреннем объеме тепло- генерирующего элемента между частицами составляющих его материалов в процессе формирования электроплазменных зон, например для проведения технологических процессов на основе этого излучения, например деструкции веществ, вследствие того, что при таком техническом решении в такой теплогенерирующей сборке указанное излучение возможно использовать только опо- средовано для передачи энергии от внутренних зон излучения к соседним частицам, а дальше только кондукционным способом к внешним частицам и далее к промежуточному экрану теплогене- рирующей сборки.
Осуществление известного способа связано с частичным выгоранием составляющих теплогенерирующего элемента или изменением положения частиц насыпного материала даже вслед- ствие теплового расширения, что приводит к постепенному уве- личению геометрических размеров пор в нем и соответствующе- му изменению параметров генерации тепловой энергии.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание способа получения тепловой энергии, в котором за счет новой совокупности дейст- вий по формированию зоны теплогенерации и условий осуществ- ления указанных действий, в том числе использования веществ, улучшаются характеристики технических результатов. В частно- сти, существенно снижается объем применения радионуклидов, улучшаются условия осуществления теплосъема и передачи теп- ла потребителю, открывается возможность теплопередачи тепло- вой энергии излучением, повышается стабильность процесса теп- логенерации, что в целом повышает энергетическую эффектив- ность получения тепловой энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения тепловой энергии, включающем формирова- ние электроплазменных зон в теплогенерирующей сборке путем пропускания электрического тока, через материалы, составляю- щие теплогенерирующую сборку с использованием в теплогене- рирующей сборке для формирования электроплазменных зон ра- дионуклидов и осуществление теплосъема из теплогенерирую- щей сборки, согласно изобретению, создают в теплогенерирую- щей сборке двойной конденсаторный электрический слой. Фор- мируют на поверхности, по меньшей мере, одного из электродов, выполненных из электропроводящего материала, покрытие из измельченного материала, в который входят радаонуклиды или частицы с электретными свойствами. Обеспечивают частичную диффузию составляющих указанного покрытия в поверхность покрываемого электрода. Создают непроводящую электрический ток пленку в зоне нанесения сформированного покрытия. Иони- зируют зону двойного конденсаторного электрического слоя и, возбуждают электрический разряд путем подачи напряжения, а после развития плазменного разряда в зоне двойного конденса- торного электрического слоя осуществляют теплосъем.
Кроме того, плазменный разряд возбуждают путем подачи переменного напряжения в пределах от 20 до 60 вольт. Использо- вание указанных пределов напряжения является оптимальным для реализации способа с распространенными материалами и ис- точниками электроэнергии.
Предусмотрено, что теплосъем осуществляют обливанием зоны формирования плазменного разряда жидкостью или обду- ванием газом. Применение указанных действий расширяет сферу применения такого способа. Наряду с этим, применяют дополнительный элемент, кото- рый формируют из тугоплавких материалов, и размещают в зоне теплогенерации, а теплосъем осуществляют из указанного эле- мента из тугоплавких материалов. Применение указанного до- полнительного элемента из тугоплавких материалов обеспечива- ет стабилизацию процесса теплогенерации и создает дополни- тельные возможности по организации процесса теплосъема.
Кроме того, покрытие из измельченного материала, в кото- рый входят радионуклиды или частицы с электретными свойст- вами, формируют способом детонационного напыления или с ис- пользованием дугового разряда. Применение указанных действий расширяет диапазон возможных средств для осуществления спо- соба.
Предусмотрено также, что покрытие из измельченного ма- териала, в который входят радионуклиды, или частицы с элек- третными свойствами, формируют в виде отдельных, не соеди- ненных между собой пятен. Применение указанных границ осу- ществления процесса нанесения покрытия вызывает возникнове- ние снопа плазменных разрядов в способе, что улучшает и до- полнительно стабилизирует процесс токопереноса. Это также уменьшает количество применяемых в способе радионуклидов.
Рекомендуется, чтобы толщину покрытия из материала, в который входят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, формировали в пределах от 10 до 150 мкм. Примене- ние указанных пределов границ нанесения покрытия обеспечива- ет стабильный процесс формирования плазменного разряда на длительный период и не требует применения дополнительных средств для управления газоразрядной плазмой, которая возника- ет в способе.
Таким образом, применение нового способа приводит к из- менению процессов в зоне теплогенерации и появлению новых технических эффектов. В зоне плазменного разогревания проис- ходит интенсивное испарение веществ. Возникают плазмохими- ческие реакции на парах веществ, которые окружают плазменный разряд, и ионизация указанных веществ. Вследствие указанных процессов плазменный разряд увеличивается и стабилизируется.
Использование радионуклидов только для формирования покрытия на поверхности конденсаторного электрического слоя резко, на несколько порядков, снижает объем используемых в техническом решении радионуклидов, поскольку масса покрытия на поверхности конденсаторного электрического слоя и масса те- плогенерирующего элемента, который в аналоге содержит ра- дионуклиды, резко отличаются.
Замена пористого насыпного теплогенерирующего элемен- та на сформированную по способу сборку жестких элементов, повышает прочностные свойства, используемых в решении мате- риалов, что упрощает процесс использования решения.
Отсутствует необходимость длительного периода предва- рительного выдерживания изготовленной по способу теплогене- рирующей сборки перед практическим использованием, так как механически собранную теплогенерирующую сборку из приме- няемых в способе средств можно использовать сразу.
Осуществление способа не связано с существенным изме- нением геометрических размеров применяемых в нем материа- лов, что повышает стабильность процесса, происходящего в нем, и не требует применения дополнительных средств для управле- ния возникшей газоразрядной плазмой.
Открывается возможность осуществления теплосъема дру- гими технологическими приемами, например излучением, обли- ванием используемых материалов жидким теплоносителем и др. вследствие отсутствия излучения внутри массы насыпного мате- риала.
В новом способе состав и концентрация радионуклидов в теплоснимающем веществе не имеют ярко выраженных превы- шений и находятся на природных уровнях, обусловленных гло- бальными выпадениями радионуклидов в природных системах.
Практическое отсутствие загрязнения теплоснимающего вещества радионуклидами (в пределах предельно допустимого содержания) обусловлено тем, что масса покрытия, в котором применяются радионуклиды, и масса теплогенерирующего эле- мента в аналоге резко, на несколько порядков отличаются, а теп- логенерирующая сборка в заявляемом способе не содержит до- полнительных радионуклидов (только естественное их содержа- ние присущее применяемому минералу). Так же появляется воз- можность прямого использования свойств возникающего излуче- ния в процессе формирования электроплазменных зон, например, для проведения связанных с теплогенерацией новых технологи- ческих процессов, которые невозможно было осуществить в про- тотипе, например, для деструкции веществ указанным излучени- ем вследствие того, что при таком техническом решении его воз- можно использовать непосредственно.
Поскольку в способе применяются материалы устойчивой формы, отсутствует необходимость крепежных ограждений для сыпучих веществ.
Краткое описание фигур чертежей
Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 изобра- жена структурная схема реализации способа получения тепловой энергии в виде схемы варианта выполнения элементарной тепло- генерирующей сборки, а на фиг. 2 показана схема подключения источника электропитания к системе последовательно соединен- ных теплогенерирующих сборок.
Лучший вариант осуществления изобретения
Способ может быть реализован с помощью устройства, по- казанного на фиг.1 и фиг.2.
Устройство (фиг.1) состоит из электрода (1) и электрода (2), выполненных из электропроводящего материала. Электроды могут быть выполнены в форме дисков. На поверхность электро- да (1) нанесено покрытие (3) из измельченного материала, в ко- торое входят радионуклиды или частицы с электретными свойст- вами, и сформирована непроводящая электрический ток пленка
(4) . Между электродом (1) и электродом (2) размещены элементы
(5) из тугоплавких материалов. Электроды (1) и (2) элементарной (отдельной) теплогенерирующей сборки (6) или концы электро- дов последовательно соединенной цепочки теплогенерирующих сборок (6) подключены к источнику электропитания, в частности, к трансформатору (7) (фиг.2).
В процессе испытаний устройства, реализующего способ, температуру в зоне теплогенерации измеряли пирометром «Про- минь-КХ2», изготовляемым заводом «Львовприбор» в модифи- кации для интервала 1500— 6000 °С. Глубину диффузии в приме- рах определяли исследованием элемента торцевого среза диска с помощью Металлургического микроскопа ML7500 в зонах раз- метения покрытия из измельченного материала как среднеариф- метическое трех изменений в трех зонах среза диска. Загрязнение теплоносителя оценивали с помощью Измерителя мощности до- зы ИМД-ИР(С).
В таблице приведены условия осуществления способа в примерах.
Для формирования зоны теплогенерации создают двойной конденсаторный электрический слой с помощью параллельно расположенных электродов (1,2), выполненных из металлических дисков (в примерах 1-3 из стали НХС 20, в примерах 4-9 из стали НХС 18), размещенных на расстоянии, указанном в Таблице. 12
Предварительно на поверхность диска (1), обращенного к диску (2), наносят покрытие (3) из измельченного материала, в который входят природные радионуклиды или природные части- цы с электретными свойствами (полевой шпат), указанные в Таб- лице.
ТАБЛИ А
Для упрощения нанесения радионуклидов или природных частиц с электретными свойствами на поверхность диска, приме- ненный в примерах базовый материал покрытия (3) включает композитный тонкодисперсный порошок, составленный смесью полнокристаллических горных пород с включением в них в рав- ных долях, в частности, в примерах 1-3 силицидов, карбидов, гранита и гранитойда, в примерах 4-6 диабаза, норита, базальта с мелкокристаллической структурой, а в примерах 7-9 кварца, сие- нита, лабрадорита, и указанные в Таблице радионуклиды или электреты.
В примерах 1-3 слой наносили напылением детонационным способом, в примерах 4-6 способом электроплазменного напыле- ния, а в примерах 7-9 способом с использованием дугового раз- ряда. Примененные методы нанесения покрытия обеспечивали также и частичную диффузию составляющих указанного покры- тия в поверхность диска (1). Покрытие (3) в представленных примерах формировали в виде отдельных пятен (фиг. 1).
Создавали непроводящую пленку (4) в зоне покрытия (3) в примерах 4-9 методом термической закалки электрода (1) с на- пылением в муфельной печи, а в примерах 1-3 методом обработ- ки пламенем пропан-бутановой горелки с использованием кисло- рода. Вследствие указанной обработки кислород соединяется с веществами входящими в материал покрытия и материал под- ложки, а на поверхности образуется закись железа, окись железа, окись магния, двуокись титана и другие непроводящие соедине- ния.
Элементы из тугоплавких материалов (5) формируют из указанных в таблице веществ (в том числе природных минера- лов), размещают их между сформированными ранее электрода- ми-дисками (1) и (2), и закрепляют общеизвестными способами с применением традиционных крепежных резьбовых элементов (на схеме не показано).
При подаче напряжения от трансформатора (7) на металли- ческие диски электродов (1) и (2) электроемкость периодически разряжается и формируется вновь. Ионизируется зона двойного конденсаторного электрического слоя. Создается разряд и возни- кает газоразрядная плазма, а после развития плазменного разряда в зонах элементов из тугоплавких материалов (5) разряд в ука- занных условиях и в указанной зоне благодаря, в том числе и ра- зогреву элементов из тугоплавких материалов (5), становится стабильным и соответственно теплогенерация в указанной зоне становится также стабильной. Теплосъем из зоны теплогенерации осуществляют, например, обдуванием воздухом, или обливанием распыленной водой (на схеме не показано). Плазменный разряд, возникающий в способе при атмосферном давлении, характери- зуется собственным излучением широкого диапазона, которое открывает принципиальную возможность осуществлять различ- ные дополнительные технологические процессы, связанные с ге- нерацией тепла, например радиолиз, фотолиз и экзотермию раз- личных соединений.
В указанных примерах плазменный разряд в зонах элемен- тов из тугоплавких материалов (5) является стабильным и на его стабильность не влияет, например, обливание зоны теплогенера- ции водой.
Как видно из примеров и из параметров способа осуществ- ление способа связано с существенным снижением объема при- менения радионуклидов, вследствие чего способ возможно при- менять и при создании бытовых приборов. Улучшаются условия передачи тепла потребителю. Вследствие наличия возможности формирования жесткой конструкции без закрытия зоны форми- рования плазменных разрядов открывается возможность тепло- передачи излучением, совокупностью применяемых средств по- вышается стабильность процесса теплогенерации.
Промышленная применимость
Предлагаемое изобретение может найти применение в ус- тановках и приборах, потребляющих и производящих тепловую энергию, в частности, в двигателях, работающих по циклу Стир- линга.
Способ получения тепловой энергии прошел научно- исследовательские испытания, в ходе проведения которых под- тверждена высокая эффективность выработки тепловой энергии и работоспособность устройств, осуществляющих предлагаемый способ.
Next Patent: CHAIN FOR A CHAIN-MESH SCREEN IN A ROTARY-DRUM FURNACE