"МИС-РТ" - 1999. Сборник №18-2

Электроводородный генератор (ЭВГ)

КРАТКОЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Кудымов Г.И. Студенников В.В.
Студенников Василий Васильевич, г.Москва, Тел.: 421-1387, e-mail: ehg@com2com.ru.
Кудымов Георгий Иванович, г.Москва, Тел./факс: 396-8027.

Патентуется по системе РСТ ©, Заявка №RU98/00190 от 07.10.97 г. МОСКВА 1999 г.

 

    СОДЕРЖАНИЕ

  1. Исходные данные.
  2. Рабочий процесс.
  3. Выводы и рекомендации.
  4. Источники информации.

    Рисунки см. в sb18-1ris.zip

 

 

РАСЧЕТ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА
ЭЛЕКТРОВОДОРОДНОГО ГЕНЕРАТОРА

 

1. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

 

Одним из неиссякаемых источников энергии для хозяйственных нужд различных потребителей является рассеянная теплота окружающей среды, теплопотери промышленных и транспортных энергоустановок. Обычно это низкопотенциальное тепло используется недостаточно рационально.

С целью повышения эффективности практического теплопользования предлагается новый тепловой насос. В основу его работы заложена эндотермическая реакция расщепления молекул воды, как рабочего тела, и последующее экзотермическое сжигание полученных водорода и кислорода, что обеспечивает массовую холодопроизводительность до 15,8 МДж/кг воды и конечную температуру пара 2700°С. Такие высокие удельные параметры предлагаемого устройства позволят успешно применять его при утилизации тепловых потерь промышленных энергетических установок или любых других источников с единичной тепловой мощностью до 1000 МВт, а также на объектах малой энергетики, например, на транспорте. Ниже представлено описание изобретения, приводятся расчеты основных параметров рабочего процесса и примеры вариантов его осуществления.

1.1. Известны различные способы разложения воды и получения из нее водорода восстановлением его активными металлами, углеродом или углеводородами, электролизом раствора электролита и ряд других (журнал “Автомобильный транспорт”, №4, 1992, с.38). При этом в них не используется теплота окружающей среды или промышленные теплопотери, например, с выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания, паром на электростанциях и т.д.[1]. К тому же электролиз является весьма энергоемким процессом и в нем потребляется промышленная электроэнергия (18 ё 21,6 МДж/м3 водорода), на выработку которой в свою очередь затрачивается соответственно 32,7-36,2 МДж, что делает производство газа недопустимо дорогим [2,3].

Сущность изобретение состоит в том, что расщепление молекул воды производят путем механического гравитационного электролиза раствора электролита без подвода электрического тока в условиях постоянного подогрева и вращения с частотой, определяемой из математического выражения,
{[q2(1 - aT)][16 peeо Dm rhК(r - 0,5h)(2rв + rи)2]-1}1/2 (1),
где
q - электрический заряд тяжелого иона, Кл;
Т - абсолютная температура раствора, К;
Dm - разность масс гидратированных катиона и аниона, кг;
r - линейная концентрация тяжелых ионов, м-1, r = 10(С·N)1/3, где
С - мольная концентрация раствора, моль/л,
N - число Авогадро, моль-1;
h - высота столба раствора, м;
К - степень диссоциации электролита, 10-2%;
r - внутренний радиус емкости ротора, м;
a - температурный коэффициент изменения энергии гидратной связи, К-1;
eо - абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м;
e - относительная диэлектрическая проницаемость раствора;
rв - эффективный радиус молекулы воды, м;
rи - эффективный радиус тяжелого иона, м;
p - трансцендентное число, равное 3,141.

1.2. Принимаем в качестве примера внутренний радиус емкости ротора r = 0,3 м, высоту столба раствора электролита h = 0,23 м, средний радиус столба раствора rср = 0,185 м.

1.3. Электролит HBrO3 при Т = 18 °С, концентрация С = 6M, степень диссоциации К = 0,85.
Параметры жидких продуктов (здесь и далее исходные и справочные данные взяты в [4]):
водорода P = 1,3 МПа, T = -240 °С, r = 0,07·103 кг/м3;
кислорода P = 5,0 МПа, T = -118 °С, r = 1,142·103 кг/м3;
брома Tкип = 59,9 °С, Tпл = -7,3 °С, r = 3,12·103 кг/м3.

1.4. Масса ионов и молекулы воды, m, 10-26кг:
BrO4- = 23,92;
BrO3- = 21,26;
Br- = 13,26;
H3O+ = 3,16;
H+ = 0,166;
H2O = 2,99.

1.5. Объемная (интегральная) теплота гидратации, кДж/г-ион (Дж/ион):
H+ = 1107,7(184·10-20);
H3O+ = 401,28(66,65·10-20);
Br- = 317,68(52,77·10-20);
OH- = 480,7(79,85·10-20).

Ориентировочные пределы полной энергии (теплоты) одной линейной гидратной связи иона для различных электролитов, 10-20 Дж/ион: нижний 4,69 (28,24 кДж/г-ион), верхний 23 (138,46 кДж/г-ион ), средний 13,845 (83,35 кДж/г-ион ).

1.6. Эффективный радиус, 10-10м:
Br- = 1,96; BrO3- = 2,93;
H2O = 1,38;
O-2 = 1,36;
H+ = 0,46.

1.7. Энергия (максимальная теплота) связи группы OH WOH = 23,6·10-20 Дж, что незначительно больше верхнего предела энергии (теплоты) одной линейной гидратной связи

 

2. РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС

 

2.1. На Фиг.1 представлена упрощенная принципиальная схема электроводородного генератора (ЭВГ), работающего на основе предлагаемого способа, на Фиг.2 схема гидратации катиона и аниона электролита молекулами воды, на Фиг.3 силовая схема взаимодействия ионов в растворе, на Фиг.4 схема разряда катиона, на Фиг.5 схема энергетического баланса процесса, на Фиг.6 график зависимости составляющих энергетического (мощностного) баланса, на Фиг.7 схема энергетических затрат в классическом и гравитационном электролизе и на Фиг.8 принципиальная схема применения ЭВГ в системах энергообеспечения потребителей теплом и электроэнергией.

2.2. Генератор содержит емкость с центральным валом, установленную на подшипниковых опорах (Фиг.1). Вал емкости кинематически связан с источником механической энергии, например, с двигателем внутреннего сгорания (не показан) и имеет в теле каналы для соответственно отвода водорода, кислорода и подачи воды. Емкость сообщена с теплообменником и содержит внутри своей полости катод и анод, электрически соединенные между собой металлическими стенками корпуса. Катодная и анодная полости отделены друг от друга асбестотканевыми диафрагмами, проницаемыми для жидкости и непроницаемыми для газов. Раствор прокачивается через теплообменную систему насосом (на фиг. не показан).

2.3. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

В устройство (см.Фиг.1) во вращающуюся емкость подают заранее подготовленный раствор электролита, который диссоциирован на ионы и они гидратированы молекулами воды (Фиг.2). Разгоняют емкость до частоты вращения, определенной для данного устройства и электролита по формуле (1). Если указанный параметр будет ниже расчетного (порогового) значения, то резко снизится эффективность процесса разложения воды или он вообще будет неосуществим (см. таблицу 1). Под действием центробежной силы в емкости создается поле искусственной силы тяжести, в котором ионы в виде сольватов (гидратов) типа (xI··yH2O)±z (2), где x - количество ионов в сольвате; I· - тяжелый ион; y - количество молекул воды в гидратной оболочке; ±z - заряд иона, отбрасываются в направлении к внутренней поверхности и периферийные прижимаются к ней. Схема силового взаимодействия ионов с молекулами воды в поле искусственной силы тяжести (см. (а) и (б) на Фиг.3) показывает, что при нижней предельной (пороговой) частоте вращения емкости минимальное расстояние между одноименными зарядами составляет для большинства электролитов приблизительно 2(2rв + rи), а в случае достижения состояния насыщения незначительно больше 2rи (см. (в) на Фиг.3). Работа устройства на промежуточной частоте, когда указанный выше параметр близок к значению 2(rв + rи), обеспечивает режим, при котором достигается промежуточная удельная холодопроизводительность. Эти параметры для каждого конкретного электролита и конструкции генератора являются характерными, т.е. присущим только заданным условиям осуществления предлагаемого способа. По мере неограниченного возрастания частоты вращения емкости изменяется в сторону уменьшения относительная диэлектрическая проницаемость e(приблизительно в 8 ? 10 раз для режима 2rи), поскольку в пространстве между одноименными ионами остаются только ионы электролита, а молекулы воды почти полностью ими вытесняются. Этим в основном исчерпывается специфика взаимодействия гидратированных ионов с полем искусственной силы тяжести.

Катион и анион имеют существенно разную массу, поэтому центробежная сила действует на них различно. В десятки раз более тяжелые ионы, например, анионы в начальной фазе процесса будут смещаться к периферии емкости без деформации гидратных оболочек, и вытеснять из общего объема более легкие гидратированные катионы, на которые гравитация практически не действует. Затем во второй фазе анионы начнут воздействовать своим электрическим полем друг на друга, деформируя гидратные связи и вытесняя высвободившиеся молекулы воды. Из-за многократно меньшей энергии гидратации анионов относительно катионов водорода тяжелые ионы неспособны отобрать у них гидратную воду, а те в свою очередь по той же причине не могут вступить в реакцию с анионами (см. Фиг.2). В растворе образуется зона с повышенной концентрацией анионов, т.е. возникнет плотный в виде пояса пространственный (объемный ) заряд, который в результате сложения единичных электрических полей индуцирует на внешней поверхности емкости адекватный заряд (потенциал) из электронов проводимости (см. свойства цилиндра Фарадея). В свою очередь гидратированные легкие ионы сконцентрируются на условной внутренней поверхности пояса отрицательного объемного заряда и вблизи поверхностей катода, образуя свой несколько раздвоенный (растянутый) пространственный (объемный) концентрационный потенциал противоположного знака. В растворе между объемными зарядами анионов и катионов, как и во внешней цепи между соответствующими электродами, создастся замкнутое электрическое поле большой внутренней напряженности, т.е. своеобразный заряженный электролитический конденсатор.. Возникает силовое равновесие При этом, что весьма существенно, расстояние от анионов до катионов на условной внутренней поверхности соприкосновения объемных зарядов в растворе всегда больше расстояния от катионов до катода приблизительно на половину толщины гидратной оболочки, а поэтому силовое взаимодействие катионов с анионами в растворе и с катодом будет различно, поскольку будет различна локальная напряженность электрического поля. По этой причине равновесие будет заведомо и в первую очередь нарушено именно на катоде, если достигнутая величина его потенциала окажется достаточной для частичной или полной ионизации свободными электронами гидратных оболочек легких ионов (работа выхода электрона из стального электрода в среднем 69,76·10-20 Дж, энергия сродства к электрону молекулы воды составляет 14,58·10-20 Дж). Тогда они вблизи поверхности катода разрядятся с выделением большого количества тепла по реакции (6), т.е. как бы произойдет пробой конденсатора (Фиг.4). Более тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к внутренней поверхности емкости, не могут существовать в растворе индивидуально (независимо от легких), поэтому они также, но с некоторым запозданием, отдадут заряд электроду и при этом изменят свой химический состав на электронейтральный по экзотермическим реакциям (9) и (10), если одновременно не происходит их химического взаимодействия с водой по вторичным реакциям. Разряд своеобразного конденсатора будет протекать с падением потенциалов на электродах до тех пор, пока энергия центробежного поля не станет равной энергии, выделяемой на внешней нагрузке. В этом случае процесс стабилизируется и станет постоянным. Величина напряжения на электродах будет прямо пропорциональна омическому сопротивлению внешней нагрузки. При ее минимальном значении, то есть коротком замыкании, напряжение на электродах будет равно сумме концентрационной разности потенциалов и ЭДС генератора, а если внешнее сопротивление возрастет, то адекватно увеличится напряжение и уменьшится ток на нагрузке. В этом отношении генератор водорода существенно отличается от электрохимического и электромеханического источников тока. Концентрационная разность потенциалов возникает из-за постоянного запаздывания реакций на аноде по отношению к скорости их протекания на катоде и для каждого электролита будет являться характерным параметром. По боковым стенкам емкости от анода к катоду потечет постоянный электрический ток. Этот процесс станет необратимым и получит устойчивый характер, так как конечные продукты химических реакций покидают раствор, реакции восстановления ионов кислорода и водорода до молекулярного состояния экзотермичны, а поле искусственной силы тяжести постоянно по величине и во времени, к тому же на смену разрядившимся ионам поступают новые из отдаленных слоев жидкости.

Таким образом, определяющим фактором здесь является величина напряженности электрического поля. созданного пространственным зарядом из более активных легких ионов, а в общем случае ионов, принимающих электроны. По этой причине эффективная боковая площадь дискового электрода, на котором они разряжаются (в данном примере площадь катода), является нелинейной функцией радиуса емкости, и ее численное значение зависит от глубины или объема пространственного заряда, т.е. от частоты вращения емкости, массы ионов, высоты столба и концентрации диссоциированного электролита, в то время как цилиндрическая площадь другого электрода (анода) без учета влияния торцевых стенок остается практически постоянной и конечной, меняется лишь плотность протекающего через нее электрического тока, который максимален при достижении состоянии насыщения. Весьма важно отметить, что все электрохимические процессы, протекающие на катоде, абсолютно идентичны процессу классического электролиза, но осуществляемому при высоком давлении раствора. Дальнейшее приращение частоты вращения приводит к быстрому росту напряжения между электродами, внутреннего омического сопротивления, в том числе за счет жидкостной экранизации катода, и уменьшению коэффициента холодопроизводительности при снижении темпа роста силы электрического тока. Верхний предел частоты вращения ограничен только конструктивной прочностью конкретного устройства, технической возможностью быстрого обновления состава раствора, скоростью теплопередачи, эффективностью очистки электродов, их электропроводностью и проблемой удаления из раствора конечных продуктов электролиза. Его удельная производительность по водороду определяется величиной тока насыщения, который в каждом случае является характерным параметром генератора. Учитывая, что продукты электролиза выделяются в условиях изотермического сжатия при высоком давлении раствора, значительно превышающего критическое, то они могут находиться в паро-жидкой фазе (кроме водорода, для ожижения которого требуется давление выше 70 МПа), т.е. в 700 ё 800 раз более компактном виде (в том числе и газообразный водород), чем при классическом электролизе, то для различных электролитов этот показатель может достигать порядка 35 моль·м2·с-1 при плотностях тока до 5·102А/см2 (см. табл.1). Капли жидких анодных газов, имеющие большую плотность, чем раствор, стекают под действием центробежной силы по конической поверхности анода, сливаются в более крупные и удаляются из емкости вместе с раствором в систему теплообменников, где смешиваются с водой или свежим раствором, а более легкие, например, жидкий кислород, адиабатно расширяясь и при этом охлаждаясь, всплывают в радиальном направлении к центру вращения. Аналогично газообразный (а при специально подобранных экстремальных параметрах осуществления процесса жидкий) водород стекает с катода к центру вращения емкости. Расширяясь газообразный водород нагревается, подогревая раствор. Брызги раствора и его пары прижимаются центробежной силой к поверхности жидкости, а анодные газы реагируют между собой и водой по вторичным реакциям с образованием исходного раствора электролита. Осушенные таким образом водород и кислород через соответствующие каналы в оси удаляются из устройства. По мере расхода раствора, о чем судят по изменению электрического тока (напряжения) на внешней нагрузке, в емкость подают воду или свежий раствор электролита, в том случае, когда он используется еще и как теплоноситель. Процесс получения водорода легко регулируется изменением частоты вращения емкости или величины омического сопротивления внешней нагрузки. Анод-катодные пары могут быть соединены параллельно или последовательно.

Интересна многообещающая идея введения в работу одновременно всего объемного заряда, образующегося перед каждым электродом, путем принудительного прокачивания раствора через слой пористого (сетчатого) электропроводящего материала в направлении к соответствующему электроду. Эта идея дает возможность разряд ионов производить уже вне емкости генератора, а в специальном устройстве ванне-разряднике, содержащим электроды большой проводимости (с увеличенной площадью поверхности и сечения), то есть разделить процесс на две отдельные стадии. В ряде случаев такое техническое решение будет весьма продуктивным, особенно тогда, когда в стационарных условиях необходимо получить от генератора водорода огромную тепловую или электрическую мощность, например, при утилизации теплопотерь АЭС, ТЭС или использовании тепла геотермального происхождения, а также на крупных транспортных объектах, например, морских и воздушных судах, где есть возможность использовать стенки корпуса для размещения в них теплообменников и разрядных устройств без особого ущерба полезному объему транспортного средства.

Разложение воды на кислород и водород сопровождается уменьшением энтальпии раствора, в результате чего его температура постоянно снижается, и если не восполнять теплопотери, то он замерзнет и процесс прекратится. В случае, когда температура раствора станет ниже температуры окружающей среды, создадутся необходимые предпосылки для поглощения генератором ее теплоты в режиме электрохимического теплового насоса, который низкопотенциальную тепловую энергию концентрирует и трансформирует в высокопотенциальную химическую энергию восстановленных из воды водорода и кислорода, что дает возможность после их сжигания снова получить тепловую энергию, но уже более высокого потенциала, то есть ее максимально сконцентрировать для полезного использования в хозяйственной практике. Такой режим работы может быть успешно применен в холодильных установках, системах отопления и кондиционирования, а также при использовании низкопотенциального тепла, рассеянного в окружающей водной и воздушной среде стран с теплым или жарким климатом, для промышленного производства дешевой электроэнергии, на водном транспорте, опреснения морской воды и других хозяйственных нужд, особенно в сельскохозяйственных районах.

2.4. В растворе
HBrO3 ® H+ + BrO3- (3).
На катоде
2H+ + 2е- ® H2 (4)
На аноде
2BrO3- - 2е- ® 0,5O2 + Br2O5 (5).

В прианодном пространстве реакция всплывающего осадка с гидратной водой
Br2O5 + H2O ® 2HBrO3 (6).
Справка: Максимальная концентрация HBr - 47%, HBrO - 30%, HBrO3 - 50%, HBrO4 - 55%, LiBr - 21,4 М, LiBrO3. - 10М. Растворимость воды в броме 0,2%, а брома в воде 35 г/л.

2.5. Сила и энергия взаимодействия (отталкивания) двух гидратированных анионов на эффективном (реакционном) расстоянии в случае работы генератора в промежуточном режиме
FB = e2(4 p e eоd2)-1 = e2{4 p e eо[2(rв + rи)]2}-1 (7),
где:
e - заряд электрона, Кл;
d - межъядерное расстояние,
d =2(rв + rи), м.
Wв = e2[4 peeо2(rв + rи)]-1 (8).

Для гидратированных ионов H2O·BrO3-
FB = (1,6·10-19)2{4·3,14·80·8,85·10-12[2(2,93·10-10 + 1,38·10-10)]2}-1 = 3,8787·10-12 Н (13).
Wв = (1,6·10-19)2[4·3,14·80·8,85·10-122(2,93·10-10 + 1,38·10-10)]-1 = 3,33·10-21 Дж (9).

Полученные значения энергии взаимодействия анионов при этом режиме работы генератора почти на два порядка меньше нижней предельной теплоты гидратации одной линейной связи, что и указывает на промежуточный характер этого режима. Справка: Средняя кинетическая энергия теплового движения молекул жидкости около 6·10-21 Дж.

2.6. Главным условием осуществимости процесса гравитационного электролиза является уменьшение энтропии термохимического потенциала раствора электролита путем воздействия на него внешнего искусственного инерционного поля, которое обеспечивает смещение химического равновесия реакций (3 ё6) в правую часть уравнений за счет совершения механической работы против энергии гидратации ионов при одновременном компенсировании неизбежного при этом снижения теплосодержания системы (энтальпии) притоком теплоты из окружающей среды или от внешнего источника. В аналитическом виде полная энергия (эксергия) системы в дифференциальной форме без учета незначительных потерь на электромагнитные явления, внутреннее омическое сопротивление и КПД теплообменника
dW = h-1[d(Aос + Aсж)] + dQ = h-1( ye + DUI) + dQ (10),
где Aос - элементарная механическая работа гравитационного поля по осаждению тяжелых ионов и молекул гидратной воды; Aсж - элементарная работа деформации кулоновских связей тяжелых ионов друг с другом ; dQ - элементарная поглощенная раствором тепловая энергия ; y - электродвижущая сила гравитационного поля (ЭДС); h - общий гидромеханический КПД системы; DU - электрическое концентрационное напряжение на электродах; I - электрический ток на внешней нагрузке.

Коэффициент холодопроизводительности процесса и ЭДС в интегральной форме
W(Aос + Aсж)-1 = h-1 + Q(Aос + A сж)-1 = c (11)
y = [ h-1(W - Q) - DUI]e-1 > 0,018 В (12).

Основной особенностью осуществления процесса в сильном гравитационном поле является постоянство количества движения раствора при работе генератора в установившемся режиме. Механическая работа внешнего источника (Аос), затрачиваемая на приращение кинетической энергии воды, поступающей в емкость ротора на разложение в виде гидратных молекул, полностью компенсируется кинетической энергией всплывающих к оси вращения газов, образующихся при электролизе (см., например, уравнения химических реакций 4 и 5).

Эта особенность - базис предлагаемого способа.

Движущиеся к поверхности раствора водород и кислород, отдавая свою приобретенную кинетическую энергию близлежащим молекулам воды, а тем самым стенкам емкости, создают тангенциально-радиальные круговые течения в жидкости, способствуя срыву газо-жидкой пленки с электродов и выносу более легких ионов в верхние слои. Относительное движение раствора по поверхности катода будет приводить к отрицательной ионизации молекул воды и перемещению их в отдаленные слои, где они отдадут свой приобретенный заряд катионам и тем самым расширят прикатодный реакционный объем. Таким образом, в гравитационном электролизе механическая работа внешнего источника энергии затрачивается в основном на преодоление сил трения емкости о воздух и в опорах электроводородного генератора, жидкостного трения и циркуляцию хладагента в теплообменной системе. Величина этих затрат механической энергии зависит от принятой кинематической схемы агрегатирования с первоисточником механической энергии, совершенства теплообменной и циркуляционной аппаратуры. Так в случае агрегатирования с электродвигателем через мультипликатор имеем наибольшие потери, оцениваемые приблизительно 1,2 (Aос + Aсж), а при непосредственном соединении с ДВС этот показатель может быть уменьшен до 0,2(Aос + A сж). Следовательно, общий гидромеханический КПД генератора будет варьироваться в пределах 0,45 ё0,86. При его работе в диапазоне частот вращения, обеспечивающих ЭДС y < 0,018 В, вся произведенная им электроэнергия незначительна, является внутренней и затрачивается в основном на преодоление собственных омических сопротивлений, т.е. на обеспечение минимально необходимых нужд генератора. Этот режим работы получил название генерации водорода. Если генератор работает при частотах, превышающих указанный выше предел, то параллельно с осуществлением электролиза избыток подведенной механической энергии преобразуется в электричество, способное произвести полезную внешнюю работу, т.к. при y >> 0,018 В плотность катодного тока достигает предельной величины (тока насыщения), близкого по значению анодному, а концентрационное напряжение многократно возрастает при резком уменьшении коэффициента массовой холодопроизво-дительности за счет увеличения доли вырабатываемого электричества в общем энергетическом балансе генератора (см. Фиг.6). Этот режим работы получил название электроводородной генерации.

Следует отметить, что температура раствора играет существенную роль в рассматриваемом процессе. С ее повышением минимизируется частота вращения ротора. Оптимальный диапазон рабочих температур от близкой к замерзанию раствора до 85°С.

2.7. При нормальной температуре раствора Т =18°С (условно принимаем a = 0), пренебрегая массой иона водорода из-за ее незначительной величины, определим частоту вращения емкости ротора генератора, работающего в среднем режиме
{[q2(1 - aT)][16 p eeо Dm rhK(r - 0,5h)(rв + rи)2]-1}1/2 = {[1,6·10-19]2·[16·3,14·80·8,85·10-12·(21,26·10-26 + 2,99·10-26)·10·
(6·6,02·1023)1/3·0,23·0,85(0,3 - 0,5·0,23)(1,38·10-10 + 2,93·10-10)2]-1}1/2 = 537,33 рад/с (13).

Справка. Температурный коэффициент a, учитывающий совокупные энергетические последствия изменения длины гидратных связей, подвижности ионов и молекул воды, для каждого раствора электролита индивидуален и в диапазоне от температуры плавления до температуры кипения в среднем не линейно изменяется от 0,0006 до 0,0018 град-1.

Для сравнения отметим, что режим насыщения в данных условиях достигается при n » 18 500 мин-1, а при подогреве раствора до 85°С и разряде ионов H2O·BrO4- начало процесса разложения воды наступает уже при n » 1 671 мин-1 (подробнее см. табл.1).

Принимаем рабочую частоту вращения ротора генератора n = 5500 мин-1 (n1 = 91,666 с-1, w = 575,666 рад/с).

Окружная (тангенциальная) средняя и периферийная скорость тяжелых ионов (в данном конкретном случае анионов) составит
uср = 2 Prср·n1 = 2·3,14·0,185·91,666 = 106,5 м·с-1 (14),
uп = 2Пr·n1 = 2·3,14·0,3·91,666 = 172,7 м·с-1 (15).

Определяем максимальную центробежную силу, действующую на периферийный ион в гравитационном поле,
Fц max = Dm rhK uср2rср-1 = (21,26·10-26 + 2,99·10-26)·10(6·6,02·1023)1/3·0,23·0,85·106,52·0,185-1 = 4,447·10-12 Н (16).

Собственная энергия этого иона
Wц = 0,5 Dm uп2 = 0,5(21,26·10-26 + 2,99·10-26)·172,72 = 3,61·10-21 Дж (17), (2,173 кДж/г-ион ).

Суммарная энергия столба ионов без учета его деформативности, воздействующая на периферийный ион, а, следовательно, на электроны проводимости, сосредоточенные на поверхности катода,
W a = 0,5 DmrhK uср2 = 0,5(21,26·10-26 + 2,99·10-26)·10(6·6,02·1023)1/3·0,23·0,85·106,52 = 4,113·10-13 Дж (18),
много больше работы выхода электрона и тем более больше линейной и объемной энергии гидратации.

Собственная электродвижущая сила периферийного аниона в гравитационном поле
y = ( Dm w2r2)·(2e)-1 = Wцe-1 = 3,61·10-21·(1,6·10-19)-1 = 2,256·10-2 В (19) (сравните с данными [5] на странице 157).

Интегральная внешняя движущая сила столба анионов (точнее начальный электропотенциал анода)
ya = Wae-1 = 4,113·10-13·(1,6·10-19)-1 = 2,57·106 В (20).

Суммарная (объемная) накопленная гравитационная энергия жидкостного диска с тяжелыми ионами электролита без учета смещения центра тяжести его осевого сечения
Wэ = 0,5 DmNCK uср2 = 0,5(21,26·10-26 + 2,99·10-26)·6,02·1023·6·0,85·106,52 = 4,222 кДж (21).

Полезная накопленная энергия осажденных тяжелых ионов жидкостного диска с учетом рекуперации энергии гидратных молекул
Wэр = 0,5( Dm - mв)NCK uср2 = 0,5·21,26·10-26·6,02·1023·6·0,85·106,52 = 3,7 кДж (22).

Установленная мощность механического привода генератора, необходимая для создания, поддерживания постоянства энергетического потенциала гравитационного поля и компенсации энергозатрат на преодоление инерционности собственной массы ротора генератора
Wу = Wэр· h-1 = 3,7·0,8-1 = 4,65 кВт (23),
где h - общий гидромеханический КПД генератора водорода, являющийся произведением КПД механической трансмиссии ( hм), гидравлической системы ( hг) и циркуляции тяжелых ионов электролита ( hц).
h = hм· hг· hц = 0,95·0,88·0,957 = 0,8.

Начальная плотность раствора 1,75 г/см3 и при вращении несколько увеличивается вдоль радиуса емкости. Ширина диска раствора при объеме 1 л составит
Sд = 1000{ p[r2 - (r - h)2]}-1 = 1000{3,14[302 - (30 - 23)2]}-1 = 0,374 см (24),
вес Gд = 1,75 кг,
площадь анода
Sа = 2 prSд = 2·3,14·30·0,374 = 70,46 см2 (25).

Центробежное давление жидкости на внутреннюю поверхность ротора (анода)
Рmax = g·uср·2h(g·rср)-1 = 0,00175·23·106502·980-1·18,5-1 = 251,8 кг/см2 (25,18MПа) (26),
где g - ускорение свободного падения, см/с2.

Площадь боковой поверхности жидкостного диска
Sбд = 2p[r2 - (r - h)2] = 3,14[302 - (30 -23)2] = 2672,2 см2 (27).

2.8.Основополагающей идеей способа является создание в генераторе условий, когда на смещение тяжелых ионов к периферии затрачивается механическая работа (Aос + Aсж), числено равная энергии гравитационного поля или энергетическому потенциалу катода (Uк), способного преодолеть сопротивление кулоновских сил гидратных связей катионов с молекулами воды и обеспечить их самопроизвольный разряд по экзотермической реакции (4)
Wэр = (Aос + Aсж) = Uк >> Q (28).

После достижения критической частоты вращения приращение механической работы практически полностью переходит в потенциальную химическую энергию конечных продуктов электролиза и этот процесс сопровождается поглощением теплоты из раствора. Его КПД равен единице, а превращения механической работы в электричество близок к ней.

Энергетический баланс процесса представится
W = Wу + Q = Wэр h-1 + Q (29).

Здесь следует отметить, что при термодинамическом потенциале нагревателя (источника теплоты) более высоком, чем раствора, будут иметь место потери теплоты в теплообменнике в окружающую среду и общий КПД процесса станет меньше единицы.

Производительность генератора пропорциональна вращающему моменту. Применительно к ДВС с учетом вышесказанного его общий КПД возрастет до 0,7-0,85.

Для режима электроводородной генерации, как было сказано выше, рабочая частота вращения ротора должна быть много больше нижней критической
nр >> nкр (30).

Очевидно, что этот вариант использования генератора для автомобиля предпочтительней, поскольку управление им осуществляется в основном частотным способом.

2.9. Удельную производительность генератора по водороду можно определить, исходя из следующих положений.

Из исходных данных следует, что концентрационная поверхностная плотность анионов на аноде порядка
р = [2(rв + rи)]-2 = [2(1,38·10-8 + 2,93·10-8]-2 = 1,3·1014ион/см2 (31).

Известно, что в межэлектродном пространстве напряженность электрического поля при классическом электролизе постоянна и на расстоянии от катода, равном толщине гидратной оболочки плюс эффективный радиус иона водорода,
dэ = 4rв + rи = (4·1,38+0,46)·10-10 = 5,98·10-10м (32),при минимальном потенциале разложения воды на железном электроде Uр = 1,17 В
Eэж = Uрdэ = 1,17(5,98 ·10-10)-1 = 195,6·107 В/м (33).

В данном случае при разорванной внешней цепи максимальное эффективное расстояние между катодом и анодом в Т-образном конденсаторе
dmin = yaEэ-1 = 2,57·106·(195,6·107)-1 = 0,001314 м (34).

Площадь тонкого диска катода, являясь функцией радиуса для двух его боковых поверхностей, составит
Sкmin = 2p[r2 - (r -dmin)2] = 2·3,14[302 - (30 - 0,1314)2] = 49,4 см2(35).

Катодная плотность зарядов больше анодной, быстро возрастает ближе к аноду, а в направлении к оси емкости от реперной отметки (r - dmax) также быстро убывает. Вычислим при максимальном межэлектродном расстоянии время разряда конденсатора при замыкании внешней цепи, в течение которого устанавливается постоянный режим работы генератора,
t = RCэln ya (36)
где
R - электрическое сопротивление всей цепи генератора, Ом, (принимаемR = 0,75 Ом - ток короткого замыкания ); Cэ - электрическая емкость системы "катод - анод", Ф,
t = 0,5·R· eeоSаdmax-1ln( ya) = 0,5·0,75·80·8,85·10-12·70,46·10-4·(1,436·10-3)-1·6·ln(2,57) = 0,74·10-7 с.

Скорость осаждения анионов возрастает в направлении к аноду и вблизи его поверхности составляет
uос » 2(rв + rи)t -1 » 2·(1,38·10-10 + 2,93·10-10)(0,74·10-7)-1 » 1,019·10-2м/с, (37).

Средне ее значение меньше и достаточно хорошо согласуется со скоростью движения катионов водорода в концентрированном растворе при классическом электролизе, осуществляемого в условиях напряжения на электродах порядка (1·2)102 В и удельном сопротивлении 0,002 Ом·м. Следовательно, существенного влияния сопротивления на затраты механической энергии на валу и в конечном итоге на эффективность гравитационного процесса не ожидается. Выделяющаяся при этом теплота будет поглощаться раствором.

При установленной ранее мощности генератора за секунду на единице площади приблизительно разрядится
q = р·t -1 = 1,3·1014·(0,74·10-7)-1 = 1,756·1021ион/см2·с-1 (38),
что равносильно средней величине электрического тока
Iа = q·e = 1,756·1021·1,6·10-19 = 281 А/см2 (39).

Площадь кольца анода Sа = 70,46 см2, отсюда максимальный анодный ток
Iа = I·Sа = 281·70,46 = 19799,3 А (40).

При постоянном режиме разряда, то есть при наличии проводника, соединяющего поверхности катода и анода (внешняя нагрузка), распределение зарядов на катоде изменится, а его активная площадь по величине приблизится к площади анода. Зная удельное сопротивление материала катода, анода и соединяющих их тоководов (внешней нагрузки), можно оценить падение напряжения при сечении стального проводника Sа = 70,46 см2. Оно составит
u = Sа-1· r·r·Iа = (70,46·10-4)-1·2·10-7·0,3·19799,3 = 0,16859 В (41).

Из энергетического баланса определим концентрационную разность потенциалов между катодом и анодом c учетом ЭДС
DU = Wэр·Iа-1 - Y = 3700/19799,3 - 0,02256 = 0,164319 В (42).

Минимальное напряжение на электродах
U = Wэр·Iа-1 = 3700/19799,3 = 0,186875 В (43),
U·u (44).

Как видно из полученного результата значение U корреспондируется с величиной падения напряжения на внешней нагрузке u, а это указывает на то, что генератор способен работать в данном режиме. Электрическая мощность, выделяемая на внешней нагрузке, в данном случае без учета концентрационного напряжения, составит
NB = Iа· Y = 19799,3·0,02256 = 446,67 Вт (45),
а с его учетом
N S = Wэр = NB + ( DU - Y)Iа = 3700 Вт (46).
NB составляет порядка 9,6 % от подведенной механической энергии (установленной мощности генератора) или 63,8 кВт/м2 анода, а N S = 528,5 кВт/м2 анода или 2,114 кВт/кг раствора.

Определим полезную работу генератора, затрачиваемую им на осаждение тяжелых ионов:
Аос = 0,5(mBrO3- + mH2O)·Sа·q· uп2 = 0,5(21,26 + 2,99)·10-26·70,46·1,756·1021·172,72 = 447,43 Дж (47).

Таким образом, из уравнений (45) и (47) следует вывод, что практически вся приобретенная механическая кинетическая энергия тяжелых ионов при осаждении преобразуется в электроэнергию на внешней нагрузке NB @ Аос (48), а это в свою очередь указывает на соблюдение энергетического баланса в вышеприведенном расчете, т.е законов термодинамики (Фиг.5). Данный режим работы возможен при условии, что сопротивление внешней нагрузки ® 0 и составит » 9·10-6 Ом. На практике из конструктивных возможностей короткозамкнутого ротора это значение вполне достижимо. Для электроводородного генератора обозначенная проблема не характерна, поскольку в этом случае определяющим фактором является именно электрическая мощность, а не холодопроизводительность. Поэтому увеличение напряжения на электродах в ущерб величине тока, а, следовательно, производительности по водороду, не влечет за собой в этом смысле резкого ухудшения удельных показателей энергоустановки (см.табл.1 и Фиг.6).

Зная электрохимический эквивалент водорода, можно определить массу выделившегося газа на катоде
Мн = F·Iа = 1,045·10-8·19799,3 = 2,069·10-4 кг/с (49)

Плотность водорода рН = 0,09·10-3 кг/л, тогда объем выделившегося газа, приведенного к нормальным термодинамическим условиям,
VS = Мн·рН-1 = 2,069·10-4·(0,09·10-3)-1 = 2,3 л/с (50) или @ 0,1026 моля.. Толщина пленки из пузырьков сжатого водорода, условно отложившегося на катоде за одну секунду, составит порядка 0,6 мм, что может создать большое омическое сопротивление электрическому току, если не будут применены конструктивные меры по ее устранению. Этот фактор учтен в расчетах режима электрогенератора водорода (см. табл.1). Аналогичная пленка кислорода на аноде не влияет на процесс разряда анионов, так как они в связке с гидратной водой тяжелее молекул газа и легко проникают через него под действием центробежной силы.

Справедливость полученного результата можно подтвердить еще и тем, что определяющим фактором, влияющим на производительность генератора, является величина эффективной площади катода, которая при перпендикулярном расположении к плоскости анода должна быть меньше его площади, а плотность электрических зарядов на ней больше, поскольку в этом соотношении находятся rикатиона и аниона. Убедимся в этом на основе следующих рассуждений.

Максимальное значения плотности катодного тока
IK max = Iа(SK min)-1 = 19799,3·49,4-1 = 400,35 А/см2 (51)
IK max > Iа, что и требовалось доказать.

Еще одним косвенным доказательством правильности полученных результатов может служить ссылка на известный количественный опыт Толмена и Стюарта, осуществленный ими в 1916 году [5].

Впервые была экспериментально использована собственная масса свободных носителей заряда, в упомянутом опыте электронов, для получения регистрируемой приборами ЭДС в механическом инерционном поле. Понятно, что масса электрона в 2,355·105 раз меньше массы аниона BrO3-, поэтому кратковременно возникающая в эксперименте ЭДС, измеряемая в несколько десятых долей мкВ, не могла послужить авторам опыта и их последователям оптимистическим поводом для поиска сферы практического применения этого явления вплоть до настоящего времени. Как было ранее показано, в гравитационном электролизе определяющим фактором его работоспособности является как раз ни величина ЭДС и концентрационного напряжения, а значение внутреннего катодного электрического потенциала, который способен вызвать смещение химического равновесия в растворе электролита, и тем самым создать необходимые и достаточные условия для побочного эффективного, высокопроизводительного процесса восстановления ионов кислорода и водорода в молекулярные газы, что послужило теоретической основой предлагаемого способа. В данном случае важен сам факт того, что качественные и количественные результаты ранее проведенного опыта с учетом многократно возросшей массы замененного носителя электрического заряда полностью корреспондируются с результатами настоящего расчета за исключением, пожалуй, последующих практических выводов.

Получение вычисленного объема водорода (без учета уменьшения эксергии раствора приблизительно на 3,6 кДж за счет агрегатных превращений и адиабатного расширения конечных продуктов электролиза при всплытии газов в растворе к оси вращения емкости) адекватно поглощению и преобразованию тепловой энергии
Q = DH298VS = 285,56·0,1026 » 29,3 кДж (52)
где
DH298 - стандартная энергия образования воды при сжигании водорода, DH298 = 285,56 кДж/моль, что соответствует удельной теоретической тепловой мощности порядка 4 МВт/м2 площади анода или 16,74 кДж/кг раствора. Общие энергетические затраты в процессе получения одного кубического метра водорода составляют 14,42 МДж при КПД 86,3 %, что хорошо корреспондируется с аналогичными показателями известных процессов (18·21,6 МДж/м3 водорода). Ориентировочно стоимость производства кубометра водорода составит 0,0038 долларов. На практике указанные параметры по ряду причин могут иметь иные значения, но при этом все же останутся достаточно высокими (Фиг.7).

2.10. Коэффициент удельной массовой холодопроизводительности при разложении воды предлагаемым способом
cн = Q·[(1 - h)·Wу·Gд]-1 » 29,3[(1 - 0,8)·4,625·1,75]-1 » 18,1.(53)

За счет повторного использования полученной электроэнергии на механическом приводе генератора или на подогрев раствора этот показатель для данного режима может быть увеличен до 20. При минимальной частоте вращения ротора и подогреве раствора коэффициент холодопроизводительности процесса достигает 88 единиц.

Проведенные расчеты других режимов убедительно показали, что по сравнению с компрессионными тепловыми насосами, в которых используются слабые ван-дер-ваальсовые силы межмолекулярного взаимодействия частиц рабочего тела, гравитационный водородный генератор имеет значительно большую удельную холодопроизводительность, поскольку в нем задействованы более сильные ионные связи, а это открывает перед ним хорошие перспективы применения в системах кондиционирования, отопления и производства холода (см. таблицу 1).

Кроме того, наиважнейшим показателем эффективности преобразования тепловой энергии является термический коэффициент ее трансформации, отражающий степень концентрации низкопотенциального тепла

q = T1·t -1 = 2873·291-1 = 9,87 (54),
где T1 - температура водородно-кислородного пламени при сжигании этих газов, К.

В компрессионных тепловых насосах этот показатель немногим больше единицы. Поэтому водородный генератор позволяет использовать вторичное тепло не только на нужды отопления, что имеет место в известных способах, но и в промышленных процессах получения механической и электрической энергии. Применительно к двигателям внутреннего сгорания это устройство позволяет сконцентрированную тепловую энергию на 80-85 % преобразовать в полезную механическую работу, т.е. более чем в два раза уменьшить удельный расход углеводородного топлива.

Ниже приведена таблица 1, в которой отражены результаты расчета параметров экстремальных режимов процесса работы предлагаемого устройства при nр >> nкр (ЭВГ в двух вариантах) и nр @ nкр (ВГ), отнесенные к одному литру раствора.

 

Таблица 1. Варианты расчета параметров экстремальных режимов рабочего процесса генератора водорода.

Наименование показателя Обозначение Номер формулы Режим работы Примечание
ЭВГ ВГ
1 2 3 4 5 6
1.Частота вращения емкости, рад/с w 13 2646,6 174,9285 --
2.Число оборотов ротора, мин-1 n -- 25 286 1671,29 --
3.Средняя окружная скорость столба раствора, м/с uср 14 489,6 32,36 --
4.Тангенциальная скорость столба раствора, м/c uп 15 793,97 52,478 --
5.Кинетическая энергия тяжелого иона, 10-20 Дж Wц 17 7,64 0,0334 --
6.Суммарная энергия тяжелых ионов, 10-12 Дж Wa 18 6,44 0,038 --
7.ЭДС тяжелого иона, В y 19 0,4775 0,002087 --
8.Потенциал анода, В ya 20 4,025·107 2,375·105 --
9.Кинетическая энергия жидкостного диска, кДж Wэ 21 89,234 0,39 --
10.Полезная энергия гравитационного поля, кДж Wэр 22 78,231 0,3417 --
11.Установленная мощность, кВт Wу 23 97,788 0,427 --
12.Давление раствора, МПа Рmax 25 532,17 2,32 --
13.Поверхностная плотность ионов, ион/см2 р 31 2,91·1014 7,72·1013 --
14.Условная продолжительность разряда, с t
t
36
36
1,08·10-7
2,161·10-8
7,355·10-8 Варианты:
R = 1 кОм
R = 200 Ом
R = 0,75 Ом
15.Количество разряжающихся зарядов на аноде, ион·см2·с-1 q
q
38
38
2,69·1021
1,34·1022
1,049·1021 --
16.Плотность максимального анодного тока, А/см Iа
Iа
39
39
431
2154,558
167,93 --
17.Сила максимального анодного тока, А Iа
Iа
40
40
30 368,26
151 813,1
11 832,34 --
18.Разность потенциалов анода и катода, В U
U
43
43
2,576
0,5153
0,02888 --
19. Мощность на внешней нагрузке от ЭДС, кВт NB
NB
45
45
14,5
72,49
0,024694 --
20.Работа осаждения тяжелых ионов, кДж Аос
Аос
47
47
14,487
72,6
0,02468 --
21.Массовая производительность по водороду, кг/с Мн
Мн
49
49
3,173·10-4
1,5864·10-3
1,2364·10-4 --
22.Объемная производительность по водороду, л/с VS
VS
50
50
3,526
17,627
1,373 0,1574 моля
0,7869 моля
0,0613 моля
23.Коэффициент массовой холодопроизводительности cн
cн
53
53
0,263
1,31
88 --
24.Суммарная энергия процесса с учетом КПД, кДж W
W
29
29
142,735
322,5
17,941 --

 

Анализ расчетных данных, приведенных в таблице 1, показывает, что при нижнем критическом значении частоты вращения ротора минимальное напряжение на электродах генератора является чрезвычайно малой величиной, которую на практике будет трудно обеспечить простейшими конструктивными мерами, так как потребуется проводник, замыкающий электроды, большого сечения (высокой проводимости) или, например, изготовленный из меди (биметалла). С другой стороны, что является куда более серьезной проблемой, может оказаться, что при небольшом снижении частоты вращения созданного на катоде электрического потенциала будет уже недостаточно для полной деформации гидратных связей катионов с молекулами воды, что приведет к неработоспособности генератора, поэтому этот режим и граничит с нижним пределом осуществимости предлагаемого способа. Вместе с тем коэффициент холодопроизводительности генератора, максимально оцениваемый в 88 единиц, служит достаточным стимулом для детальной проработки всех этих технических вопросов. В случае работы устройства в режиме ЭВГ при R = 200 Ом плотность анодного тока выходит за рамки технической возможности материала электродов, а при R = 1 кОм генератор вполне работоспособен. С ростом частоты вращения КПД генератора заметно увеличивается.

В заключение следует отметить, что ЭВГ на морских и речных судах может иметь дистилляционную систему подготовки и частичного использования забортной воды, а также бортовые теплообменники, извлекающие из нее и(или) транспортируемого груза (в случае, если судно рефрижератор) низкопотенциальную тепловую энергию, что позволит заменить неэффективные традиционные дизельные и атомные энергоустановки, многократно сократить запасы перевозимого топлива и повысить экологическую безопасность при эксплуатации судов с сохранением той же автономности плавания. Мобильные плавающие электрогазогенераторные станции смогут снабжать фактически даровой тепловой и электрической энергией крупные прибрежные населенные пункты, промышленные или сельскохозяйственные объекты. Расчетная стоимость производства одного МДж тепла, полученного после сжигания водорода, 0,027-0,04, а электроэнергии 0,08-0,11 американского цента, что характеризует его, как самый дешевый энергоноситель, поскольку он в 1,5-2 раза дешевле природного газа (Фиг.8). При этом производство водорода максимально приближено к объектам потребления.

Применение ЭВГ на воздушных судах приведет к снижению полетного веса за счет уменьшения запаса топлива, а, следовательно, наряду с повышением топливной экономичности, позволит увеличить полезную грузоподъемность самолета на несколько десятков тонн в зависимости от его класса, что повлечет за собой сокращение себестоимости перевозок на 25-30%.

На железнодорожном транспорте применение ЭВГ позволит перевести подвижной состав на более экономичную в данном случае тепловозную тягу, резко сократив затраты на техническое обслуживание электрических сетей, а сэкономленную электроэнергию направить в другие сферы народного хозяйства.

Внедрение ЭВГ в качестве утилизатора тепла на многочисленных компрессорных станциях магистральных газопроводов позволит повысить в 2-2,5 раза топливную экономичность турбоагрегатов за счет использования их теплопотерь и выделяющейся теплоты при компрессии природного газа на выработку водорода, которым можно на 60 % восполнить расход углеводородного топлива и тем самым обеспечить его ощутимую экономию, т.е. увеличить объем продажи без приращения добычи.

Многообещающей представляется идея охлаждения с помощью ЭВГ транспортируемого природного газа до минусовой температуры. Это позволит применить элеваторный (газостатический) принцип создания дополнительного избыточного давления в магистрали (приблизительно на 6-8 %), а также увеличить пропускную способность и срок службы трубопровода. Извлеченная из природного газа теплота может быть преобразована и использована на нужды компрессорных станций или хозяйственных объектов, располагающихся вдоль трассы газопровода. Энергетические преимущества такого способа очевидны, особенно в горных условиях прокладки газопровода.

Оснащение приводов буровой техники, тракторов, различных самоходных дорожно-строительных, сельскохозяйственных и специальных машин ЭВГ снизит в 1,7-2 раза потребление углеводородного топлива, что повлечет за собой уменьшение издержек строительства, производства. промышленной и сельскохозяйственной продукции.

На космических станциях ЭВГ может заменить гироскопы и традиционные солнечные батареи, а также обеспечить ориентационные двигатели эффективным, многократно более дешевым и безопасным топливом.

Различные модификации ЭВГ могут найти широкое применение в малой стационарной и мобильной энергетике, особенно в энергообеспечении удаленных поселений, промышленных объектов, экспедиций, фермерских хозяйств, животноводческих и тепличных комплексов. В последнем случае станет возможным круглогодичное массовое производство дешевой растениеводческой продукции. Высокоэффективна новация в технологических процессах при производстве сварочных работ, на воздушных компрессорных станциях заводов, в цементной, целюлозно-бумажной, химической, холодильной промышленности и в металлургии.

Тепловым источником для ЭВГ при этом может быть энтальпия любых водоемов, промышленных и бытовых стоков, наружного воздуха или внутреннее избыточное тепло метрополитена, шахт, жилых и общественных зданий, различных промышленных газов, в том числе в металлургии и химии, вентиляционных выбросов, компостных ям в сельском хозяйстве, а также солнечная, ветровая и геотермальная энергия. Перспективной представляется возможность эффективного использования теплоты при подземном дожеге остатков каменного угля нерентабельных шахт.

Небезынтересна также идея использования способа в технологии селективного обогащения урана. При осаждении более тяжелого U238 из раствора его хорошо растворимой соли на внутренней поверхности вращающейся емкости создается пространственный электрический заряд, который препятствует приближению к нему более легких ионов U235, т.е. происходит их разделение на ртутном электроде. Металлический U238 при этом восстанавливается из раствора в виде порошка, взвешенного в жидкой ртути, вместе с которой откачивается, а U235 накапливается (концентрируется) в растворе, откуда может быть легко извлечен во второй вращающейся емкости.

2.11. Варианты произведенных расчетов приводят к одному и тому же качественному результату, который показывает, что при заданных технически достижимых значениях параметров (r,h,w,K,Т,C) и особенно принятой условности в определении времени разряда ионов (t), обеспечивается работа генератора в режиме получения водорода при холодопроизводительности близкой к промежуточному значению, несколько превышающему показатели известных тепловых насосов. При этом имеются резервы по существенному повышению этого параметра. Задача перехода на режим электрогенератора водорода может быть решена путем изменения любого линейного параметра способа (r,h,K,Т,C), частоты вращения (w) или их совокупности, однако, это не является целью настоящего расчета. В данном случае вполне достаточно констатации факта, что предлагаемый способ осуществим, а устройство работоспособно в широком диапазоне режимов, к тому же существует удовлетворительная перспектива их внедрения в промышленную практику.

2.12. Ниже приведены некоторые данные на примере перспективы применения ЭВГ в конструкции автомобиля среднего класса с ДВС мощностью 110 кВт.

 

Таблица 2. Технические данные автомобильного электрогенератора водорода.

Наименование показателя Тип двигателя
Карбюраторный Дизельный
1 2 3
1. Тепловой баланс, %:  
полезное использование тепловой энергии 70(30) 68,3(42)
потери с выхлопными газами -(45) -(40)
потери в системе охлаждения -(20) -(12)
прочие потери 5 8
затраты тепловой энергии на работу ЭВГ 25 23,7
2.Активная площадь теплообменников, м2 0,6 0,58
3.Плотность тока максимальная, А/см2 325
4.Площадь электродов (суммарная), м2 0,25 0,248
5.Объем электролита, м3 0,018 0,017
6.Отношение емкости бака для топлива к емкости бака для воды 0,43 0,62
7.Удельная металлоемкость ЭВГ и вспомогательной аппаратуры, кг/кВт 0,73
8.Удельный объем ЭВГ, м3/кВт 0,0017 0,00175
9.Допуск на жесткость воды, г/л, не более * 7
10.Потери электролита в процессе эксплуатации ЭВГ, г/год 10-12
11.Снижение удельного расхода жидкого топлива, % 230 170

Примечание: 1. В скобках данные автомобильных двигателей без ЭВГ. 2. * Масса сухого осадка

 

Электроводородный генератор органично вписывается в компоновку силовой двигательной установки автомобиля и хорошо агрегатируется, особенно с тепловой турбиной.В качестве элемента управления ЭВГ может быть использован терморезистор, помещенный в теплообменник и включенный в электрическую цепь внешней нагрузки.

Особый интерес представляет возможность создания энергетического агрегата автомобиля с отрицательным (дефицитным) тепловым балансом. В этом случае недостаток тепловой энергии, поступающей от двигателя, будет компенсироваться притоком тепла из окружающего его воздуха или перевозимого груза. Такая гибридная схема наиболее реальна для автобусов и прицепного подвижного состава грузовиков-рефрижераторов, а также автопоездов, работающих в условиях жаркого климата, поскольку потребует больших площадей теплообменников, которые есть где расположить без ущерба общей компоновке транспортного средства. В результате применения ЭВГ с электрокомпенсационным принципом работы, когда достигается его максимальная холодопроизводительность, топливная экономичность, например, 25 тонного тягача становится фантастически высокой, поскольку удельный расход углеводородного дизельного топлива снижается до 22 г·(л.с.·ч)-1.

Для своей работы в оптимальном режиме ЭВГ потребляет менее 12% от энергии образования воды. В этом случае он способен большую часть полезной теплоты в ДВС автомобиля напрямую преобразовать в электрическую энергию (порядка 80%), но при этом общий КПД двигателя снизится с 70-68% до 56-54,4% (см. таблицу 2). Иными словами в трансмиссии автомобиля или в других узлах, агрегатах и органах управления вместо механической энергии может быть использован силовой постоянный электрический ток, а это уже по сути электромобиль с тепломеханическим источником электроэнергии и, следовательно, присущими ему позитивными техническими и эксплуатационными конструктивными полезными особенностями (Фиг.6).

Таким образом, изобретение не только позволяет улучшить технико-экономические показатели силовой энергетической установки привычного традиционного автомобиля, но и создает предпосылки для разработки в ближайшем будущем принципиально новой, более совершенной конструкции транспортного средства, включая его трансмиссию, электрическую, тормозную, и управляющие системы.

 

3. ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

 

Основополагающий вывод, который можно сделать на основе анализа результатов произведенных расчетов, состоит в том, что предложенный способ разложения воды в искусственном гравитационном поле осуществим, причем с применением ординарных конструктивных технических решений. Очевидно также и то, что в распоряжении разработчиков различных модификаций водородного или электроводородного генератора имеется большой выбор электролитов, пригодных для использования в этих устройствах, при этом со свойствами значительно более выгодными с технико-экономической и экологической точки зрения, т.е. имеющих большую разницу масс катионов и анионов, лучшую растворимость, высокую степень диссоциации и меньшую токсичность, чем приведенный в настоящем примере.

Расчетная удельная производительность генератора вполне достаточна для эффективного агрегатирования его с тепловыми двигателями применительно к известному и широко применяемому на практике мощностному ряду стационарных энергоустановок и транспортных средств, включая паротурбогенераторы электростанций, автомобили, автобусы, тракторы, самоходные сельскохозяйственные и дорожно-строительные машины, самолеты, речные, морские суда и так далее, а также при использовании других промышленных и природных источников тепловой энергии.

Принятые в расчетах параметры гравитационного поля не являются максимальными и на практике могут быть значительно превышены, например, за счет применения при конструировании ротора генератора легких высокопрочных конструкционных материалов, к которым в первую очередь относятся композиты. А это создает предпосылки к освоению электроводородного генератора - как наиболее эффективного и чрезвычайно перспективного устройства для внедрения его прежде всего на автотранспорте. Тем самым открываются возможности для создания фактически принципиально нового транспортного средства, отличающегося высокой топливной экономичностью, экологической безопасностью и хорошими ходовыми качествами. В этой связи представляется целесооброазным электроводородный генератор агрегатировать с турбинным двигателем внутреннего сгорания. Такое же конструктивное решение применимо в авиации, стационарной и мобильной электроэнергетике, а также в тех случаях, когда исполнительный орган машины удален от двигателя или источника энергии на значительное расстояние, что, например, имеет место на морских и речных судах, в ветроэнергетике и т.д..

Серьезными техническими задачами, которые предстоит разрешить в процессе создания генератора, являются обеспечение высокоэффективной очистки водорода и кислорода от побочных продуктов электролиза и следов раствора электролита, удаления из воды растворенных примесей и твердых включений, а также предотвращения или минимизации разлива электролита в случае аварии и автоматизация управления процессом.

 

4. ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

  1. Евдокименко А. И. , Костерин В. В. Природный газ в цветной металлургии. М., "Металлургия", 1972, с.24.
  2. Микулин Е. М. Криогенная техника. М., "Машиностроение", 1969, с.97.
  3. Патент РФ № 2015395, МПК F02М 21/ 00, 1994.
  4. Некрасов Б. В. Основы общей химии. М., "Химия", т.1 и т.2,1973.
  5. Калашников С. Г. Электричество. М., "Наука", изд. 3, 1970, с. 156-157, 353.