КАТАРГИН Рудольф Клавдиевич (ул Щепкина, д. 27 к. 1, кв. 2, Москв, 1 Moscow, RU)
КАТАРГИН Рудольф Клавдиевич (ул Щепкина, д. 27 к. 1, кв. 2, Москв, 1 Moscow, RU)
| современности с головы на ноги, очистит наши леса и ближайшие речки от мусора и свалок в укромных уголках. деньги за произведенную электроэнергию выплачиваемые энергосистемой вполне покроют расходы на оплату и водителям, и обслуживающему персоналу плазменной установки. плазменный источник тока незаменим для очистки дымовых газов на промышленных предприятиях, поскольку любая администрация тоже заинтересована в получении денег из дыма, нужно только дать такую возможность.
высокочастотные плазменные источники (плазмотроны) с использованием газов, благодаря отсутствию распыляемых контактных токовых электродов, отработаны современной промышленностью до совершенства. их используют в качестве высокотемпературных горелок там, где необходимо плавить или получать химически чистые тугоплавкие материалы, для нагрева газовых потоков при аэродинамических испытаниях моделей и изделий, предназначенных для сверхзвуковых и космических полётов [б,c_287], в лакокрасочной промышленности для получения миллионов тонн красителей, и многих других областях. использование плазмотронов для получения электрического тока обогатит практику совершенно новым направлением развития техники наряду с другими типами ионных источников, которые можно с таким же успехом использовать в качестве электрогенераторов.
литература.
Lмирдельг. электрофизика. M. мир, 1972.
2.T. эрдей-груз. химические источники тока. M. мир. 1974.
3. физика и технология источников ионов. ред. я. браун. M. мир. 1998.
4.фaвopcкий O.H., фишrойт B.B., литовский E.и. основы теории космических элеiσрореаiсгивных двигательных установок. M. высшая школа. 1978.
5.гpишин с. д., лесков л.B., козлов H.Iϊ. электрические ракетные двигатели. M. машиностроение. 1975.
6.Bыcoкoчacтoтнaя электротермия. справочник. ред. A.B. донской. M. машиностроение. 1965.
7.л.A. арцимович, сю. лукьянов. движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях. M. наука. 1972.
8.B.д русанов, AA фридман. физика химически активной плазмы. M. наука. 1984.
9.г.гpeй. электроны и химическая связь. M.Mиp. 1967.
10. H.B. коровин. новые химические источники тока. M. энергия. 1978.
6
заменяющий лист |
плазменный источник тока
изобретение относится к области машиностроения, в частности к плазменным источникам ионов, вьшолняющих функции магнитодинамического генератора тока (мгд) который широко публиковался в 60 - 80 годах.
известные мгд генераторы являются преобразователями химической энергии топлива в электрическую путем температурной ионизации газового потока и разделения его на электронную и ионную компоненты за счёт продувания газа в поперечном магнитном поле. дальнейшее соединение потоков электронов и ионов через проводники полезной нагрузки (лампочки, электродвигатели и т.д.) даёт необходимое количество электрической мощности для потребителей. принцип подобного получения электричества теоретически очень перспективный, однако, в дальнейшую практику не пошел из-за низкой стойкости к температурам конструкционных материалов [l,c.242].
другим, не менее важным прототипом, может быть топливный элемент. принципиально предельно прост. в сосуд с электролитом опушены два электрода е платиновым покрытием, под один из них подаётся водород, под другой кислород. благодаря платине молекулы газов диссоциируют на атомы. на водородном электроде электроны с атомов топлива под действием того же катализатора уходят на проводник с полезной нагрузкой (скажем, электродвигатель), а на кислородном атомы, в силу сильно выраженного сродства к электрону, принимают эти электроны и, уходя в электролит, где встречают водородные ионы * соединяются, образуя воду. движение электронов по проводнику— это и есть ток для питания электродвигателя. создаётся замкнутое кольцо движения зарядов - электронный поток замыкается на два ионных сливающихся рукава. благодаря платине не требуется затрат на диссоциацию молекул газов и ионизацию атомов, что очень важно для понимания физического процесса каталитического получения тока из химической энергии непосредственно.
вообще, любые химические реакции для газов можно возбуждать не менее чем тремя способами. первый - термический, где, грея пробирку со смесью, можно всегда добиться активного начала реакции. второй - катализатором, что и описано в работе топливного элемента. третий способ более редкий - облучение светом, радиоактивным источником, электрическим разрядом [2,c.63]. так, к примеру, пробирку со смесью хлора и водорода можно взорвать, облучая светом с длиной волны не более 4785 ангстрем (т.е.- не менее 2,59 эв.). что интересно; для каждой реакции требуется своя длина световой волны, поскольку она должна соответствовать энергии связи в молекуле наиболее активного вещества для развала
1
заменяющий лист
молекулы на атомы и делать их возбужденными. электрический разряд всегда имеет широкий спектр излучения, поэтому в этом электромагнитном ряду всегда находится необходимая длина волны для любой реакции, - иначе, для разрыва связей в молекулах и создания активных атомов, т.е. это универсальный катализатор для любых химических реакций (лучше любой платины). кстати сказать, такой способ активации химпроцесса давно используется в автодвигателях для зажигания топливной смеси в цилиндрах.
общий смысл описанных прототипов в том, что для получения полезного электрического тока непосредственно из газообразных веществ необходимо разделить их на ионные и электронные потоки. на практике разделение газообразных веществ на ионы и электроны успешно используютt i и ионные источники, как с положительными, так и с отрицательными ионами [3,c.382]. на базе ионных источников выполнены электрореакrивные двигатели для космических аппаратов, применяемые для коррекции ориентации спутников земли в пространстве. в последние десятилетия за счёт подобных перспективных разработок ионные источники на электрореактивных двигателях доведены до высокого совершенства, где коэффициент полезного действия (кпд) достигает до 70 - 80% [4 5 c.l7G], что вполне сравнимо с результативностью топливных элементов. в принципе, элекгрореактивный двигатель - это ионный источник, всего лишь одетый в чехол-корпус. благодаря двигательному применению источников ионов вне земли выявилась очень необычная особенность. при истечении из сопла ускоренного ионного потока в космическое пространство, обычно положительного заряда, на корпусе двигателя образуется заряд противоположного знака - отрицательный. и если не принять необходимых мер, то кулоновская сила останавливает ионный поток, и все вылетевшие заряженные частицы вынужденно возвращаются назад. какой бы мощный источник электрического тока не работал на создание ионной струи, возврат ионов назад обеспечен - с кулоновской силой не поспоришь. ввиду этого, возле среза сопла устанавливают другой источник противоположного заряда (обычно электронный) для нейтрализации струи ионов, слияние их с электронами компенсирует заряд основного потока [5, с.111]. это производится за счёт электрического соединения проводниками нейтрализующего устройства электронов с дальним от сопла электродом двигателя. на данном принципе есть возможность создать источник тока по прямому преобразованию энергии при окислении топлива в электрическую энергию, аналогично мгд генератору.
для этого можно применить два электрореактивных двигателя без нейтрализаторов, один из которых дает струю, скажем, положительных ионов водорода (топливо), другой кислородный (окислитель) испускает поток отрицательных ионов. представим себе, что корпуса двигателей не соединены между собой электрически, попробуем запустить их и дать
2
заменяющий лист
возможность обеим ионным струям пересечься (соединиться). вылетевшие потоки ионов компенсируют свои заряды в пространстве за двигателями, но только вначале. истечение обеих струй после первого импульса остановится, поскольку зарядятся оба корпуса двигателей на величину вылетевших ионов. водородный корпус отрицательным знаком - избытком электронов, кислородный же зарядится положительным знаком - нехваткой электронов. если соединить корпуса двигателей проводником через электролампу или электродвигатель, то мы даём возможность перетекать электронам с водородного корпуса на кислородный, и тогда потоки ионов из сопел потекут нормально, с дальнейшим образованием паров воды при соединении в пространстве и при этом будет вращаться электродвигатель или гореть электролампочка. движение электронов по проводнику и есть электрический ток, т.е. получается генератор тока.
для примера конструктивного исполнения указанного принципа токообразования разумно использовать самый простой, на наш взгляд, электрореактивньш двигатель щT-10, разработанный в фрг в начале семидесятых годов [5,c.97]. это, в принципе, пока единственный источник ионов способный работать и при очень низких и при высоких давлениях окружающей среды. представляет собой по рис л кварцевый или керамический цилиндр 1 с днищем (подобно стакану), обхваченный индуктором 2 высокочастотного электромагнитного поля с частотой примерно 1 - 30 мгц. через днище и анодную сетку 3 вводится водород из баллона, который сразу же попадает в высокочастотное поле индуктора, в результате образуется плазма. в ней, под действием высокой частоты и светового излучения, как катализатора, атомы газа распадаются на ионы и электроны, а последние, благодаря отрицательному заряду вынужденно возвращаются назад на анодную сетку 3 заряженную положительно источником тока. ионы водорода, имея положительный заряд q, разгоняются электрическим полем источника тока E под действием силы F= q E к отрицательному кольцу-катоду 4 и, в силу большой массы (по сравнению с электроном) и скорости, проскакивают кольцо 4, которое является соплом " истечения, где и вылетают струёй в космическое пространство. вот здесь у сопла, немного сбоку, для компенсации положительного заряда струи обычно ставится нейтрализатор 5 в виде источника электронов, который эмитирует их в направлении положительной струи.
если в качестве нейтрализатора применить не электроны, а источник отрицательных ионов кислорода, атом которого, как мы знаем, легко превращается в минус-ион благодаря высокому значению сродства к дополнительному электрону (озон в природе), тогда компенсация заряда водородной струи обеспечивается соединением ионов с кислородом и образованием результирующего водяного пара.
заменяющий лист
для конкретного примера на pиc.2 изображена установка электрореактивного двигателя, в котором в главный корпус 1 поступает водород, а в нейтрализатор 5 подаётся кислород, и, естественно, расположены осями движения газов под углом для пересечения ионными струями. на водородном корпусе 1 двигателя кроме высокочастотного индуктора 2, сетки- анода 3 и соплового кольца 4, расположена дополнительно катушка 6 постоянного магнитного поля вдоль оси корпуса. с целью устройства местного усиления магнитного поля устанавливается катушка 7 для создания магнитной пробки у сопла. такой же вариант магнитной пробки был очень удачно апробирован на электрореактивном двигателе (спд) созданного под руководством A.и. морозова [4,c.l62].
работа установки в принципе аналогична ранее описанному двигателю RIT-IO. при подаче газа из баллона в полость водородного (топливного) цилиндра 1 в высокочастотном поле индуктора газ становится сгустком плазмы, раскаляется до 10 -15 тыс. градусов [6,c.275] и распадается на ионы и электроны. в продольном магнитном поле катушки 6 электроны, в силу своего отрицательного заряда, вращаются вокруг силовых линий магнитного поля и вынуждены дрейфовать влево к днищу цилиндра и оседать на сетке 3 [7,c.55,c.2O7]. если случайно электрон пойдёт вдоль магнитной линии вправо, он попадет в область сильного поля магнитной пробки катушки 7, отразится, и" устремится назад к сетке 3. ионы водорода, имея положительный заряд, и тоже благодаря вращению от силы лоренца, устремляются вправо вдоль магнитных линий и за счёт повышенной массы проскакивают магнитную пробку и вылетают через кольцо 4 из сопла двигателя в пространство. случайно ушедший ион в сторону днища (в левую сторону) растеряет энергию на диссоциацию и ионизацию поступающих из баллона молекул и вернется в центр высокочастотного поля. точно также в мгд генераторах газ разделяется на электронные и ионные компоненты магнитным полем, где ионы и электроны, благодаря разным знакам заряда навиваются на магнитные силовые линии в противоположных направлениях и дрейфуют к своим электродам.
газ в корпусе кислородного нейтрализатора 5, тоже индуктором или обычным нагревателем разогревается примерно до 900 - 1200 0 C [8,c.371], как и в других применяемых нейтрализаторах, заставляет молекулы распадаться на отдельные атомы и не более. образующиеся атомы термически возбуждены, и, под давлением массы газа из баллона, вынуждены подойти к сетке 8 на которой они, в силу большого сродства к электрону кислорода [9.C.45], забирают необходимые им электроны с сетки и выходят из сопла, отрицательно заряженные в пространство навстречу с положительными водородными ионами. по закону кулона они взаимно притягиваются. образующиеся молекулы пара воды по инерции отходят в окружающее пространство. сетка 8, обеднённая электронами соприкосновением с атомами кислорода, по проводникам электрической цепи через
вменяющий лист
электродвигатель 9, получает избыток электронов с электрода 3, на который вновь и вновь поступают водородные электроны из плазмы высокочастотного разряда водородного корпуса благодаря магнитному полю соленоидов. образуется замкнутая кольцевая цепь движения зарядов состоящая из двух замыкающихся ионных потоков и одного электронного, подобно кольцевой цепочке тока образуемой при работе топливного элемента [10,c.77]. электрическая цепь с источником тока, выключателем в (pиc.2) и кольцом 4 необходима только для начального зажигания и в аварийных ситуациях, а после запуска процесса может отключаться за ненадобностью. конечно, установка может успешно работать и при включённом источнике тока, однако, в целях экономии можно отключить.
высокочастотные индукторы для нагрева газа обычно расходуют сравнительно немного электроэнергии, но больше, чем соленоидные катушки. для повышения кпд установки в поток водорода вполне разумно вводить ограниченное количество кислорода, тогда, в высокочастотной зоне при выделении определённого количества тепла от частичной химической реакции, индуктору потребуется меньше энергии для поддержания температуры плазмоида, что уменьшает электрическую мощность высокочастотного индуктора. в зависимости от исполнения кпд плазменного источника тока может быть в пределах 40 - 70%, хотя по формуле карно может быть и выше. достаточно сильное световое излучение в плазме от высокой температуры (подобно электрической искре) оказывает каталитическое действие, стимулирует диссоциацию и ионизацию молекул, и это резко снижает потребную мощность индуктора против расчётной величины без катализатора.
применение плазменного источника тока имеет перспективное значение особенно в области транспортного машиностроения. поскольку предлагаемый источник тока по весу легче на единицу мощности и несравненно долговечнее в работе обычного топливного элемента, его вполне можно использовать на электромобилях, автономных электроагрегатах, в общем, там, где в технике требуются источники тока на средние и большие электрические мощности. особенно необходим такой источник тока для сельских жителей удалённых деревень, к примеру, в сибири, способный обеспечить электропитание холодильнику, электроплите, отоплению и т. д. без подвода энергии от электрической сети. описанный метод получения электричества позволяет применять разнообразные виды топлива вместо приведенного для примера водорода. легко применимы жидкие, газообразные топлива, вплоть до угольного порошка, что значительно расширяет зону применения плазменного источника тока в быту, промышленности и сельском хозяйстве. учитывая высокий кпд плазменного источника тока экономически очень выгодно использовать преобразование бытовых отходов в электрическую энергию. оплата водителям за привезенные отходы на пеоеоаботкv (сейчас делается всё наоборот) поставит экологическую проблему
5
заменяющий лист
Next Patent: METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING A STABILITY OF CONSTRUCTIONS