Описание изобретения.

Изобретение может использоваться для получения водорода в стационарных и мобильных энергетических установках, не нарушающих экологию окружающей среды.

Изобретение относится к способам получения водорода и его использования. Применяется в энергетике, транспорте, машиностроении, метал ургии, химической промышленности и т.д.

Переход на водородную энергетику позволяет решить не только проблему загрязнения окружающей среды от продуктов сгорания традиционных видов топлива (угля, нефти, газа, ядерного топлива), а и проблему глобального потепления, поскольку позволяет утилизировать даровую низкопотенциальную тепловую энергию окружающей среды, превращая ее в высокопотенциальную энергию водородного топлива, переходящую при окислении или сгорании в электрическую энергию, или выполняет механическую работу, и в результате,- в ту же тепловую энергию, плюс затраты энергии на получение водорода. Таким образом, проблема состоит в поиске наименее энергетически затратного способа получения водорода. Водород, полученный электролизом - восполняемый ресурс, что позволяет найти природным, невосполняемым ресурсам (углю, нефти, газу) более достойное применение, чем просто сжигание. Водород представляется наиболее чистым из всех существующих топлив. Водород является как энергоносителем, так и веществом, и в силу этого дуализма обладает комплексообразующими свойствами, благодаря которым возможно построение энергообеспечивающих систем, состоящих из источников энергии и производств, основанных на потреблении водорода как вещества, т.е. являющихся частью экономики, в более широком смысле, чем только энергетика [1].

Цель изобретения состоит в снижении затрат высокопотенциальной энергии на получение водорода, снижение его стоимости до экономически приемлемого уровня, что делает его конкурентноспособным с такими традиционными энергоносителями, как уголь, нефть, газ, ядерное топливо, приведет к широкому его использованию и, в конечном счете, переходу к водородной энергетике - водородной экономике, позволит снизить вредные выбросы, опасность глобального потепления, улучшить экологию.

Способы получения водорода и его использование.

1. Известен способ получения водорода электролизом воды, при котором электрический ток, проходящий через электролит, не только восстанавливает ионы водорода и кислорода, а и обеспечивает необходимым количеством теплоты, поглощаемым при электролизе воды, что в конечном счете снижает эффективность (суммарный КПД) процесса, как и другие промышленные способы получения водорода. В 1888 году Д. А. Лачинов запатентовал промышленный способ получения водорода электролизом воды [1—4].

2. Известны способы получения водорода, повышающие эффективность, с использованием электромагнитных, акустических волн или электрических импульсов определенной частоты и мощности, но они позволяют получать, так называемый, газ Брауна, ННО,- гремучую смесь водорода и кислорода, которая является нестойкой, не может сохраняться, а требует немедленного использования путем окисления или сжигания, например, ячейка Стенли Мейера, генератор Вилли Брауна, генератор Олега Козакова или генератор Джона Канзиуса [5-8].

3. Известны устройства, применяемые как энергетические установки на водородном топливе в транспорте, например, в автотранспорте - в автомобиле Honda FCX [9], но они требуют периодической заправки баллонов на заправочных станциях сжатым водородом, произведенным одним из промышленных способов [1-4]. Такая энергетическая установка содержит блок контроля, баллон со сжатым водородом, обеспечивающий водородом топливный элемент, электроэнергия которого через ультраконденсатор питает электродвигатель привода трансмиссии.

Также известны авиационные транспортные средства - экспериментальный самолет ТУ-155, использующий жидкий водород как топливо [10] и требующий криогенных технологий для хранения его на борту, или экспериментальный самолет фирмы Boeing [11], содержащий топливные элементы, потребляющие водород, вырабатывающие электроэнергию и выделяющие воду на выходе.

Электроэнергия топливных элементов питает электродвигатель, вращающий тяговый винт.

4. Известны энергетические установки, вырабатывающие электроэнергию - тепловые электростанции ТЭС [12], использующие как топливо, сжатый природный газ (СПГ), мазут или угольную пыль, сгорание которых, невзирая на применяемые методы очистки продуктов сгорания, неизбежно приводят к загрязнению окружающей среды, ухудшению экологии, выбросам парниковых газов и, как следствие,- требованиям выполнять международные соглашения, касающиеся ограничений и квот на такие выбросы - согласно Киотскому протоколу. Это касается также АЭС [13], которые принято называть экологически чистыми, невзирая на необходимость утилизации отработанного ядерного топлива, не говоря уже о проблемах, связанных с ликвидациями последствий аварий. И ТЭС, и АЭС содержат генератор пара, питающий турбогенератор, который вырабатывает электроэнергию, а параметры пара определяют КПД установки [14]. Генератор пара использует теплоту сгорания одного из традиционных видов топлива.

Известны энергетические установки, вырабатывающие энергию, не нарушающие экологию окружающей среды вредными выбросами: мини-ОТЕС, ОТЕС-1, и др. по программе ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion), работающие как тепловой насос,- перекачивающие теплоту между верхними - теплыми и нижними холодными слоями морской воды [15, 16]. Но эффективность их довольно низкая - большая часть вырабатываемой энергии потребляется самой установкой для привода насосов циркуляции воды и такие установки являются скорее экспериментальными, чем промышленными. К экологически чистым энергетическим установкам относят также ветровые, гелио, геотермальные, приливные, осмотические, волновые, гидро ЭС, хотя многие из них имеют и свои отрицательные стороны.

Известны природные процессы фотосинтеза органических соединений - Сахаров и крахмала из углекислого газа и воды с выделением кислорода в зернах хлорофилла под действием излучения солнца [17]. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф) также является запасенной в процессе фотосинтеза. В конце 90-х годов XX века было показано, что в условиях недостатка серы биохимический процесс производства кислорода, т.е. нормальный фотосинтез переключается на производство водорода [18].

Известны системы обогрева и кондиционирования промышленных и бытовых помещений, работающих на тепловых насосах [19, 20], перекачивающих теплоту окружающей среды в помещение или наоборот, с коэффициентом преобразования энергии, достигающим значений 3-7. 8. Наиболее близким техническим решением к заявленому изобретению является электроводородный генератор Студенникова - заявка RU98/00190 от 07.10.1997,

105 патенты RU 2003104497/12 от 17.02.2003, PCT/RU 03/00413 от 18.09.2003, также повышающий эффективность получения водорода, где для электролиза применяют разделение ионов в электролите за счет центробежной инерционной силы, возникающей при вращении рабочей камеры с электролитом - инерционный электролиз [21, 22]. Недостатками данного устройства есть: вращение рабочей

110 камеры с большой скоростью, что требует затрат энергии; необходимость применения уплотнителей для подачи агрессивной жидкости во вращающуюся рабочую камеру и вывода из нее продуктов реакции; а также замыкание электрической цепи разряда ионов через стенки рабочей камеры.

115 Предлагаемый способ получения водорода заключается в электролизе путем предварительного разделения ионов во вращающемся электролите не только в поле центробежной инерционной силы (силы искусственной гравитации) за счет отличия их масс,

711— = F

К

120 при этом, тяжелые ионы перемещаются к периферии, вытесняя легкие ионы к центру,- в зону оси вращения, аналогично способу разделения изотопов урана в центрифугах при его обогащении, для нужд энергетики и вооружения, й в ортогональных электрическом и магнитном полях, которые также ортогональны направлению движения электролита (вектору скорости ионов), в частности, магнитное поле ориентировано параллельно оси

125 вращения, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры. Таким образом, на ионы действует еще и сила Лоренца, а разделение происходит также за счет отличия в знаках зарядов ионов.

F = qE q[v х В]

Ортогональные поля используются, например, в приборах для опреснения морской воды

130 [23], магнитной обработки воды; электровакуумных приборах СВЧ - магнетронах, используемых в радарах, микроволновых печах; циклотронах - ускорителях элементарных частиц. Таким образом, под действием векторной суммы двух сил происходит магнито-гидродинамическое разделение ионов. Вращение электролита в рабочей камере приводит также к устранению перенапряжения, возникающего вследствие

135 поляризации электродов, очищению поверхности электродов от продуктов реакции при электролизе и, следовательно, к снижению энергозатрат. Нейтрализация зарядов ионов, после их разделения, происходит в рабочей и в разрядных камерах, где ионы восстанавливаются до нейтральных атомов и молекул.

140 Способ получения водорода демонстрирует работа энергетической установки (фиг. 1), которая является тепловым насосом. Рабочее вещество - электролит, циркулируя в первом рабочем контуре при помощи насоса 3 из теплообменника 2, подается в рабочую камеру 4, где рабочее вещество вращается в магнитном поле В, ориентированом параллельно оси вращения и в электрическом поле Е, ориентированом в направлении от периферии к

145 центру рабочей камеры - оси вращения. Таким образом, происходит разделение ионов под действием центробежной инерционной силы, благодаря отличию масс ионов, и силы Лоренца, благодаря отличию в знаках заряда ионов, так, что концентрация легких, позитивно заряженных ионов - катионов, возрастает в центре, возле оси вращения, где происходит частичная нейтрализация ионов. Далее рабочее вещество, обогащенное

150 ионами противоположных знаков, попадает в разрядные камеры 5, 6, где ионы электролита нейтрализуются, утрачивая свои заряды, поглощая при этом теплоту рабочего вещества, и поступают далее, в сепараторы — осушители газа - прерыватели непрерывности потока 7, 8, где газ отделяется от рабочего вещества, которое возвращается в теплообменник первого контура 2, а при повышении концентрации

155 электролита или снижении его уровня, электролит в теплообменнике 2 пополняется растворителем - дисцилированной водой из бака 1. Газы— водород и кислород, из сепараторов - осушителей - прерывателей непрерьвзности потока 7, 8, через обратные клапаны 9, 10 и датчики газоанализаторов и объема 11,12 подаются в топливный элемент 14, где водород окисляется до воды, которая возвращается в первый рабочий контур

160 теплообменника 2. Электроэнергия W, вырабатываемая топливным элементом 14, заряжает буферный ультраконденсатор 15, питающий электродвигатель 16, который вырабатывает механическую энергию А (выполняет работу), или в режиме рекуперации, электродвигатель 16 работает как генератор, и пополняет электроэнергией W ультраконденсатор 15. Процесс электролиза воды эндотермичный [24], протекает с

165 поглощением теплоты рабочего вещества, которое компенсируется в теплообменнике 2 теплоносителем второго контура, перекачивающим теплоту окружающей среды Q, с помощью теплообменника второго контура 17, а также теплоту выделяемую электродвигателем 16 и топливным элементом 14 (теплота рекуперации QR) рабочему веществу. Режимы работы (температура, давление, скорость, концентрация рабочего 170 вещества в контрольных точках, а также параметры потребляемого и получаемого электрического тока) управляются блоком контроля 13,- связи блока контроля 13 с блоками энергетической установки (фиг. 1) для упрощения схемы условно не показаны. В ряде случаев топливный элемент 14, ультраконденсатор 15 и электродвигатель 16 могут быть заменены традиционным ДВС, турбогенератором, дизель-генератором, ПГТУ, или

175 МГД-генератором в сочетании с ПГТУ. При их работе для окисления (сгорания) водорода может использоваться также и кислород воздуха. Поэтому блоки энергетической установки 1-13 и 17 можно условно объединить в один функциональный блок - генератор водорода-тепловой насос, преобразующий теплоту окружающей среды в высокопотенциальную энергию водорода, который, в свою очередь, может использоваться

180 произвольным преобразавателем топлива в механическую или электрическую энергию, или потребителем водорода и кислорода для технологических целей.

К пояснению принципа действия предлагаемого генератора водорода можно подойти с другой стороны. Известно устройство, которое может использоваться и как генератор

185 тока, и как электродвигатель - диск Фарадея, или «униполярное динамо» Николы Теслы

[25, 26], в котором проводниковый, медный диск вращается в магнитном поле, ориентированном параллельно оси вращения, а электрический ток снимается с точек расположенных в центре - на оси и на периферии - ободе диска. Униполярному генератору характерны: низкая ЭДС (до нескольких вольт) при низком внутреннем

190 сопротивлении и большом токе; работоспособность при вращении магнита (магнитного поля) вместе с диском, относительно неподвижного токосъема— парадокс Фарадея; отсутствие реакции диска на токосъем. В заявленом изобретении, в качестве проводникового диска, используется электролит - «диск из электролита», вращающийся в магнитном поле, а электрическое поле возникает за счет действия силы Лоренца,

195 разделяющей носители зарядов - ионы противоположных знаков, между ободом - краем диска (анионы) и его центром (катионы). Эти объемные заряды и создают электрическое поле, вызывающее ток между краем и центром диска по внешней электрической цепи, восстанавливающий, таким образом, ионы до нейтральных молекул - водорода и кислорода, т.е. создает условия для протекания реакции электролиза.

200

Поскольку вода слабодиссоциирована и не является проводником, то для протекания реакции электролиза рабочим веществом является электролит - раствор основания, соли или кислоты, например серной - H ₂ S0 или бромноватой - НВгОз , у которых соотношение масс ионов составляет - H ⁺ /S0 ₄ ^2' = 1/96, - H ⁺ /Br0 ₃ ^" = 1/128, соответственно, без учета масс оболочек гидратированных ионов, например таких, как гидроксоний Н ₃ 0 ⁺ , и более сложных - Н ₅ 0 ₂ ⁺ , Н ₇ 0 ₃ ⁺ , Н ₉ 0 ₄ ⁺ и т.д. Следует отметить, что ионы кислотного остатка также гидратированы. Кислота в электролите не расходуется, а лишь принимает участие в реакции электролиза по схеме [21, 22].

В растворе

НВгОз -> Н ⁺ + ВгОз или, например, H ₂ S0 ₄ -> 2Н ⁺ + SO

На катоде

2Н ⁺ + 2е -» Н ₂ ] 2Н ⁺ + 2е -> Н ₂

На аноде

2Вг0 ₃ ^~ - 2е 0,5О ₂ Т + Вг ₂ 0 ₅ SO 4 ² - 2е -> S0 ₃ † + 0,5О ₂

В прианодном пространстве реакция осадка с водой

Вг ₂ 0 ₅ + Н ₂ 0 ->· 2НВг0 ₃ или Н ₂ 0 + S0 ₃ -> H ₂ S0 ₄

НВгОз -> Н ⁺ + Вг0 ₃ ^' или H ₂ S0 ₄ 2Н ⁺ + S0 ₄ ^'2

В прианодном пространстве на периферии рабочей камеры возможно также образование перекиси водорода Н ₂ 0 ₂ . Следует заметить, что ни вода, ни ее составляющие - водород и

220 кислород, не являются источниками энергии, а лишь рабочим веществом (рабочим телом) теплового насоса, подобно фреону или амиаку в холодильных установках, с той лишь разницей, что в традиционных тепловых насосах для переноса теплоты используется теплота выделяющаяся/поглощающаяся при изменении агрегатного состояния (фазового перехода) рабочего вещества - HAKOCTb+Qf<->ra3-Q _f , где Q _f -теплота фазового

225 перехода, а в предлагаемом тепловом насосе перенос энергии происходит в термодинамическом цикле окислительно-восстановительной химической реакции электролиз<->окисление с преобразованием рабочего вещества по схеме :

Н ₂ 0 (ж) = ^элек1 Р ^0ЛИЗ > н ₂ (г) + 0,5О ₂ (г) - q _B - реакция в генераторе водорода

230 Н ₂ (г) + 0,5О ₂ (г) = ^{окисление} > Н ₂ 0 (г) + q _H - реакция в топливном элементе

Н ₂ О (г) =к>«дан«»и™> н ₂ 0 (ж) + q _F + с ΔΤ m - конденсация пара и охлаждение, где q _B = 12,75 МДж/м ³ / 120.9 МДж/кг / 285,8 кДж/моль

q _H = 10,80 МДж/м ³ / 119.7 МДж/кг / 236,5 кДж/моль 235 qs и qn - соответственно верхняя и нижняя (объемная / весовая / молярная) удельная теплота сгорания водорода или равная ей и противоположная по знаку, энтальпия образования воды и ее составляющая энергия Гиббса, называемая свободной энергией, а qF = 2250 кДж/кг / 40,59 кДж/моль - теплота фазового перехода вода-пар или удельная теплота парообразования воды. Источником энергии является даровая 240 низкопотенциальная теплота окружающей среды,- в конечном счете, аккумулированная энергия солнца— теплота земли, воды, воздуха, а тепловой насос лишь перекачивает ее в потенциальную энергию водорода, электрическую или механическую (в зависимости от потребности) и, при выполнении полезной работы, превращается в теплоту, которая возвращается окружающей среде, согласно закону сохранения энергии. Кроме теплоты 245 природной среды,- солнца, водоемов, геотермальных источников, грунта, и т.д., также можно утилизировать теплоту технологических процессов, систем охлаждения предприятий, промышленных энергогенерирующих станций, бассейнов-охладителей - ТЭС, АЭС, ДВС, и т.д., которые сейчас выбрасываются в атмосферу.

Энергетические затраты на получение водорода по данному способу, кроме даровой теплоты окружающей среды Q = qa m , состоят из затрат энергии на циркуляцию электролита в первом рабочем контуре - Ni t и теплоносителя во втором - N ₂ t. Если рассматривать тепловой насос в замкнутой системе, то КПД теплового насоса - ктн ·'

к _тн + N ₂ ) t m) где m/t - ПОТОК водорода, принимающего участие в реакции электролиза<->окисления. Коэффициент трансформации энергии теплового насоса ICTR - (КПЕ - коэффициент преобразования энергии) не может вычисляться по известной формуле I TR = T ₀ ut ( ₀ ut-Tin) = T _out / ΔΤ , где T _ou t и Tj _n - температуры рабочего вещества, соответственно на выходе и на входе теплового насоса, поскольку температура на выходе T _ou t неадекватно оценивает потенциальную энергию водорода qjj. Потому I TR ПО водороду :

- отношение энергии полученного водорода, к затратам энергии на его получение в 265 генераторе водорода-тепловом насосе. А с учетом рекуперации теплоты QR топливного элемента 14 и электродвигателя 16, с соответствующими КПД - 1<ПЕ и кщ :

ктя Н2 = (qF + q _H (2 - к _ПЕ к _Е д)) m/t (Ni + N ₂ )

а по механической работе А : 270 k _TR A = кпв квд (q _F + q _H (2 - к _ПЕ к _Е д)) m/t ( i + N ₂ ) и может достигать значений 3-7, что не нарушает закон сохранения энергии, поскольку генерация энергии происходит за счет охлаждения окружающей среды.

Мощность потока тепловой энергии внешней среды на входе теплового насоса :

275 N = Q/t = q _B m/t ki k ₂ = с ΔΤ m _T /t

где m/t - расход водорода, участвующего в реакции электролиза<— >окисления, q _E - удельная теплота сгорания водорода, _\ и к ₂ — КПД теплообменников соответственно первого и второго контуров, с - удельная теплоемкость теплоносителя внешней среды,

280 ΔΤ = Tout-Ti _n - разница температур теплоносителя внешней среды на выходе и входе теплообменника 17 второго контура, ηΐτ/t - поток теплоносителя внешней среды.

Тогда мощность электродвигателя 16, которая соответствует мощности получаемой механической энергии :

N _Efl = A/t = 1с _Е д W/t = к _ПЕ к _Е д q _B m/t = i к ₂ кщ к _ПЕ к _ЕД Q/t =

285 = ki к ₂ к _тн к _ПЕ к _ЕД с ΔΤ m _T /t а с учетом рекуперации теплоты топливного элемента 14 и электродвигателя 16 (фиг. 2) :

Efl = ki k ₂ ктн Q/t к ₂ ктн с ΔΤ ш t

290

Некоторые примеры применения генератора водорода-теплового насоса, теплообменник которого может использовать теплоту: земли (располагаться в скважинах, сваях фундамента зданий и сооружений, грунте, или холодильных камерах); воды (местные водоемы, грунтовые воды, речные воды, морские прибрежные воды, воды теплых

295 течений, геотермальные источники); воздуха (воздушные теплообменники); солнца (гелионагреватели); энергию ветра; или утилизировать теплоту технологических процессов промышленных производств. Опыт эксплуатации тепловых насосов [19, 20] показывает, что с теплообменника в скважине можно снимать 60 вт/м тепловой мощности без ущерба тепловому балансу грунта, тогда при глубине скважин 170 м и шаге между

300 ними 10 м, каждый 1 км ² земли обеспечивает 100 Мвт тепловой мощности, при этом поверхность земли остается пригодной для с/х использования - без опасности превращения ее в вечную мерзлоту. Энергия находится буквально под ногами.

Химическая промышленность. Водород - сырье для производства амиака.

305 Металургия. Использование водорода для выплавки (востановления) чистых металлов.

Энергетика. Газотурбинные установки с котлом-утилизатором (парогенератором, использующим теплоту выхлопных газов) и дополнительной паровой турбиной могут 310 иметь КПД более 40%. У АЭС, работающих при более низких температурах и давлениях, несколько меньший полный КПД - около 32%.

Термический КПД паротурбинной электростанции тем больше, чем выше рабочие температуры и давления пара. Если в начале XX в. эти параметры составляли 1,37 МПа и 260° С, то в настоящее время обычны давления свыше 34 МПа и температуры свыше 315 590° С (АЭС работают при более низких температурах и давлениях, чем самые крупные ТЭС, поскольку нормативами ограничивается максимально допустимая температура активной зоны реактора).

На современных паротурбинных электростанциях пар, частично отработавший в турбине, отбирается в ее промежуточной точке для повторного нагревания (промежуточного

320 перегрева) до исходной температуры, причем могут быть предусмотрены две или более ступеней промперегрева. Пар из других точек турбины отводится для предварительного нагрева питательной воды, подводимой к парогенератору. Такие меры намного повышают термический КПД [14]. В уже действующих АЭС на первой стадии, генератор водорода- тепловой насос, утилизирующий теплоту реактора и генерирующий пар для

325 турбогенератора, позволит значительно повысить КПД благодаря повышению температуры и давления пара, а также позволит сглаживать пиковые нагрузки, связанные с суточными и сезонными ее колебаниями, что повышает безопасность эксплуатации реактора, а на второй стадии, после выработки ресурса ядерного реактора, позволит перевести водородную ЭС полностью на утилизацию теплоты окружающей среды, с

330 демонтажем, или консервацией реактора.

Также генератор водорода-тепловой насос может обеспечивать топливом стационарные и мобильные энергетические установки с ДВС, турбогенераторами, дизель-генераторами, ПГТУ, ТРДД, МГД-генераторами с ПГТУ, позволит без существенных переоборудований переводить действующие ТЭС [12] на водородное топливо, снижая вредные выбросы,-

335 улучшая экологию. Поскольку продуктом сгорания водорода (Т~3000°С) является водяной пар, то добавление воды в камеру сгорания или перед турбиной снижает его температуру, повышает давление и приводит параметры пара к требованиям турбины или другого потребителя. 340 Транспорт. При применении генератора водорода-теплового насоса в наземном и воздушном транспорте теплоносителем второго контура является воздух, поэтому определяющим является теплообменник - его производительность, эффективность и габариты. Как альтернатива мобильным генераторам водорода, возможен вариант использования стационарных генераторов водорода, расположенных на заправочных

345 станциях и обеспечивающих транспортные средства топливом - сжатым водородом или его соединением - амиаком [1]. В водном транспорте - надводном и подводном, теплоносителем второго контура является вода, поэтому применение генератора водорода-теплового насоса требует создания эффективных противообледенительных систем в теплообменнике и средств его защиты от биологического обрастания. Для

350 снижения акустических шумов и повышения КПД, тяговими могуть быть водометы или винты в кольцевых профилированных обтекателях - фенестронах, выполненных как теплообменники.

Строительство. Генератор водорода-тепловой насос может использоваться в автономных 355 системах энергоснабжения, отопления, кондиционирования, вентиляции бытовых и производственных зданий и сооружений.

Суть изобретения:

1. Способ получения водорода, основаный на инерционом электролизе,- вращении 360 рабочего вещества в рабочей камере, и использовании центробежной инерционой силы, действующей на отличные по массе ионы для их разделения. Дополнительно, рабочая камера размещена в ортогональных электрическом и магнитном полях так, что магнитное поле направлено параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры,

365 таким образом, под действием векторной суммы силы Лоренца и центробежной инерционой силы, негативно заряженные, тяжелые ионы - анионы, смещаются к периферии рабочей камеры, а позитивно заряженные, легкие ионы водорода ка 1 ионы. к центру, в зону оси вращения, т. е. происходит магнито- гидродинамическое разделение ионов, что позволяет снизить скорость вращения

370 электролита и, следовательно, энергетические затраты, необходимые для получения водорода.

2. Рабочая камера генератора водорода-теплового насоса выполнена неподвижной, в ней обеспечено вращение рабочего вещества за счет циркуляции его в первом рабочем контуре, что позволяет устранять перенапряжение, возникающее вследствие поляризации электродов, очищать поверхность электродов от продуктов реакции при электролизе,- снижать энергозатраты, исключить из конструкции рабочей камеры уплотнители и свойственные им подтекания рабочего вещества и продуктов реакции электролиза, повышая надежность работы генератора водорода-теплового насоса и безопасность его эксплуатации.

3. Способ получения водорода основан на электролизе - разряде (нейтрализации зарядов) ионов, который происходит и в рабочей, и в разрядных камерах, вследствие чего отсутствует шунтирование электрической цепи разряда ионов стенками рабочей камеры. Разделение ионов под действием силы Лоренца и центробежной инерционой силы, создает пространственные заряды, противоположные по знаку на периферии и в центре рабочей камеры, электрическое поле Е, возникающее между ними генерирует электрический ток во внешней цепи, выполняющий разряд ионов, то есть создает условия для протекания реакции электролиза, которая происходит и в рабочей камере, и в разрядных камерах, обеспечивая контроль и управляемость процессом.

Для обеспечения автономности работы, снижения вредных выбросов, эксплуатационных расходов, повышения надежности и безопасности эксплуатации:

4. Экологически чистая энергетическая установка-тепловой насос использует генератор водорода на основе способа по пп. 1-3 и выполняет перенос тепловой энергии окружающей среды в потенциальную энергию водорода в ходе химической эндотермичной реакции электролиз<->окисление, и далее в электрическую, и механическую энергию, и содержит (фиг. 1) бак 1, теплообменник первого контура 2, насос 3, рабочую камеру 4 в магнитном поле В, ориентованом параллельно оси вращения рабочего вещества, а электрическое поле Е направлено радиально от периферии к центру рабочей камеры, так, что на ионы действует векторная сумма центробежной инерционой силы и силы Лоренца, две разрядные камеры 5, 6, два сепаратора - осушителя газа - прерывателя непрерывности потока рабочего вещества 7, 8, два обратных клапана 9, 10, два датчика газоанализатора и объема 11, 12, топливный элемент 14, ультраконденсатор 15 электродвигатель 16, теплообменник второго контура 17, блок контроля 13. 5. В экологически чистой энергетической установке-тепловом насосе по п. 4 блоки 1-13 и 17 можно условно объединить в один функциональный блок - генератор

410 водорода-тепловой насос, преобразующий теплоту окружающей среды в высокопотенциальную энергию водорода, который, в свою очередь, может использоваться произвольным преобразавателем топлива в механическую, или электрическую энергию, или потребителем водорода и кислорода, как веществ для технологических целей, например ДВС, турбогенераторами, дизель-генераторами,

415 ПГТУ, ТРДЦ, МГД-генераторами с ПГТУ, позволит без существенных переоборудований переводить котлы действующих ТЭС на водородное топливо, снижая вредные выбросы, улучшая экологию. Поскольку продуктом сгорания водорода (Т~3000°С) является водяной пар, то добавление воды в камеру сгорания или перед турбиной снижает его температуру, повышает давление и приводит

420 параметры пара к требуемым для оптимальной работы турбины или другого потребителя.

6. Водное транспортное средство - корабль, или подводная лодка, использующая энергетическую установку на генераторе водорода, питающий двигатели (турбогенератори, или ПГТУ) привода тяговых винтов, или водометов,

425 вьшолняющих также принудительную циркуляцию воды (морской, или речной, утилизируя ее теплоту) вдоль бортов, или в каналах (нишах), ниже ватерлинии, где расположены теплообменники генератора водорода-теплового насоса, при наличии соответствующих противообледенительньгх систем и средств защиты от биологического обрастания теплообменника. Для снижения акустических шумов и

430 повышения КПД, тяговими могуть быть водометы или винты в кольцевых профилированных обтекателях - фенестронах, выполненных как теплообменники.

7. Наземное или воздушное транспортное средство — железнодорожный, автомобильный или авиационный транспорт, использующий энергетическую установку на генераторе водорода, питающем тяговые двигатели (ДВС, дизель-

435 генератор, ТРДД). Двигатели и поверхность корпуса транспортного средства содержат воздушные теплообменники (с принудительной прокачкой воздуха, или набегающим скоростным потоком), утилизирующие теплоту воздуха. Предусмотрено наличие противообледенительньгх систем в теплообменниках.

8. Бытовая или промышленная автономная система отопления, кондиционирования, 440 вентиляции, энергообеспечения зданий и сооружений, использующая энергетическую установку на генераторе водорода— тепловом насосе, 60 теплообменники которого используют теплоту: земли (располагаются в скважинах, сваях фундамента зданий и сооружений, грунте или холодильных камерах); воды (местные водоемы, грунтовые воды, речные воды, морские прибрежные воды, геотермальные источники); воздуха (воздушные теплообменники); солнца (гелионагреватели); энергию ветра; или утилизируют теплоту технологических процессов промышленных производств.

Перечень фигур и чертежей.

Фиг. 1. Блок-схема экологически чистой энергетической установки-теплового насоса.

1. бак с дисцилированной водой

2. теплообменник первого контура с рабочим веществом - электролитом

3. насос

4. рабочая камера в магнитном поле В

5, 6. разрядная камера

7, 8. сепаратор - осушитель газа - прерыватель непрерывности потока рабочего вещества 9, 10. обратный клапан

И, 12. датчик газоанализатора и объема

13. блок контроля

14. топливный элемент

15. буферный ультраконденсатор

16. электродвигатель

17. теплообменник второго контура

теплоноситель во втором контуре водород кислород

рабочее вещество - электролит в первом рабочем контуре дисцилирована вода

мощность потока тепловой энергии внешней среды N = Q/t

механическая работа А магнитное поле В и ортогональное ему электрическое поле Е электроэнергия W

Фиг. 2. Схема энергетического баланса работы экологически чистой энергетической установки-теплового насоса.

1 . Мощность тепловой энергии внешней среды на входе энергетической установки- теплового насоса: N = Q/t

2. Мощность тепловой энергии после теплообменника второго контура: k ₂ N

3. Мощность тепловой энергии рекуперации, виделемой при работе топливного элемента и электродвигателя, используемая повторно: QR/Ϊ

4. Мощность тепловой энергии с учетом рекуперации: Qs/t = k ₂ N + Q _R /t

5. Мощность тепловой энергии после теплообменника первого рабочего контура: ki Qs/t

6. Мощность потенциальной энергии водорода на выходе генератора водорода: ктн Qs/t

7. Мощность электроэнергии на выходе топливного элемента: W/t = ki ктн кпЕ Qs/t

8. Мощность механической энергии (мощность электродвигателя): АЛ = к ₁ ктн кпЕ кед Qs/t

9. Мощность потерь тепловой энергии в теплообменнике второго контура: (l-k ₂ ) N

10. Мощность потерь тепловой энергии в теплообменнике первого рабочего контура: Литература

520 1. Водород как энергоноситель с высокими экологическими свойствами, сайт http://b- energy.ra/popularecology/53-hvdrogen.html?t^

2. Высокоэффективный электролиз воды, сайт http://alexfrolov.narod.ru/iiiswater.htm

3. Водородная энергетика. Получение водорода, сайт

http://www.abitura.com/modem physics/hydro energy/hydro energy5.html

525 4. Альтернативные источники энергии. Способы добычи водорода, сайт

http://www.takealtenergy.com/hydi gen geth.html

5. Вечная энергия Козакова (получение водорода), сайт

http://www.skif.biz/index.php ?name-Pages&op=page&pid=148

6. Генератор газа Брауна, сайты http://sds-max.com.ua/braun.html, http://x- 530 faq .ru/index.php?topic-53.0 ; wap2

7. Генератор водорода Джона Канзиуса. сайт htt ://vpl54.naiOd.ru/ERA_VODOROD A.html

8. Топливная ячейка Мейера. сайты http://prometheus.al.ru/phisilc/meyer.htm,

http://kotelok.info/index.php?name=Pages&op= ^: page&pid=123,

9. Honda FCX на топливных элементах, сайт http://autolenta.ru/l 47.html

535 10. ТУ-155, сайт http://www.airwar.ru/enc/xplane/tul55.html

11. Чистый полет: Самолет на водороде, сайт http://www.popmech.m/article/3231 -chistyiy- polet/

12. Трипшьська ТЕС, сайт http://www.centrenergo.com ukr/tripoly.html

13. Реактор РБМК - 1000, сайт http ://www. liveinternet.ru/community/ 1229387/post51428326/ 540 14. Электрическая энергия, сайт

http://www.lcrugosvet.ru/enc/naulca i tehnika/fizika/ELEKTRICHESKAYA ENERGIYA.html

15. Градиент-температурная энергетика (системы ОТЕС). сайт

http://www.greenenergy.com.ua/gradient-temperaturnava-energe tika-sistemv-otes/

16. Тепловая энергия океана, сайт http://watervigorous.com/termo.htm

545 17. Фотосинтез, сайт http://ru.wikipedia.org/wiki/OoTQCHHTe3

18. Биотехнологическое получение водорода, сайт

http://ru.wikipedia.org/wiki/EHQTexHonorH4ecKoe получение водорода

19. Принципы работы теплового насоса, сайт http://www.budynok.kiev.ua/printsipyi-rabotyi- teplovogo-nasosa/

550 20. Принцип работы теплового насоса, сайты http ://atmosystems . com. ua ho w/,

http://www.eco-therm.com.ua/principle.html 60

21. Электроводородный генератор (ЭВГ). заявка RU98/00190 от 07.10.1997, патент RU 2003104497/12 от 17.02.2003, сайт http://ikar.udm.ru/sbl 8-2.htm

22. Центробежный электроводородный генератор, патент PCT/RU 03/00413 от 18.09.2003. cafiT http://www.skif.biz/index.php?name ^: =Pages&op= ^: page&pid=43

23. Устройство для непрерывной переработки морской воды..., патент RU2199492. сайт http://www.ntpo.com/patents gas/gas l/gas_71 l.shtml

24. Новая теория электролиза воды, сайт htt ://www.inauka.ru/blo gs/article80305/print.html

25. Заметки по поводу униполярной динамо-машины, сайт

http://serge.raikevich.com tesla 13.htm

26. Бестопливный генератор Тесла, сайт http://masterbiz.info/generator.tesla.htm