| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2174162
ПРИСТРІЙ ДЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
Ім'я винахідника: Кудимов Г.І .; Студенников В.В.
Ім'я патентовласника: Кудимов Георгій Іванович; Студенников Василь Васильович
Адреса для листування: 103009, Москва, а / я 184, для ППФ "ЮС", пат.пов. С.В. Ловців, рег. № 59
Дата початку дії патенту: 1998.06.22
Винахід відноситься до енергетичного машинобудування і може бути використано при створенні пристроїв для перетворення одного виду енергії в інший шляхом, наприклад, електролізу. Завданням, на вирішення якої спрямовано винахід, є створення пристрою, яке дозволяло б здійснювати паралельне перетворення механічної і теплової енергій в електричну і хімічну енергії. Технічний результат полягає в підвищенні ефективності електролізу, отриманні поряд з киснем і воднем електричної енергії та утилізації тепла. Пристрій для перетворення енергії, наприклад, шляхом електролізу містить обертову ємність з валом, заповнену розчином електроліту. Ємність встановлена на остові і пов'язана з приводом обертання. У пристрої є електроди, канали підведення розчину електроліту в ємність і відведення продуктів електролізу. Пристрій має теплообмінник. Електроди пристрою або коротко замкнуті між собою або з'єднані в контур через споживач електроенергії. Ємність встановлена з можливістю забезпечення кутової швидкості 
її обертання, яка визначається з математичного співвідношення, наведеного в формулі винаходу.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до області енергетичного машинобудування і може бути використано при створенні пристроїв для перетворення одного виду енергії в інший шляхом, наприклад, електролізу.
З існуючого рівня техніки відомо пристрій для перетворення механічної енергії в електричну, а потім в хімічну шляхом розкладання води електролізом розчину електроліту і отримання при цьому водню і кисню. Цей пристрій містить ємність з валом, який встановлений в опорах на остові з можливістю обертання. Він кинематически пов'язаний з приводом обертання, наприклад з двигуном внутрішнього згоряння (ДВЗ) і генератором електричного струму. Ємність заповнена розчином електроліту, в ній є електроди, включені в електричну ланцюг генератора, і канали для підведення початкових і відведення кінцевих продуктів електролізу (див. РФ, Патент N 2015395, F 02 М 21/00, 1990 г.).
Отриманню необхідного технічного результату в цьому пристрої перешкоджає принципово інші конструктивні підходи до отримання кінцевого результату від використання відомого винаходу. Крім того, цей пристрій не дозволяє здійснювати нетрадиційні перетворення енергії, тим більше в комплексі: одночасно кілька паралельних циклів перетворення.
Це пристрій під час обертання ємності забезпечує послідовне перетворення механічної енергії приводу спочатку в електрику і тільки потім в хімічну енергію отриманих з води водню і кисню. Така обов'язкова послідовність перетворення енергії зумовлює низький коефіцієнт корисної дії (ККД) пристрою, оскільки компенсація ендотермічного ефекту реакції розкладання води проводиться за рахунок використання виробленої електроенергії, і не забезпечує можливості її корисного використання на зовнішньому навантаженні без різкого зниження виходу водню і кисню.
Завданням, на вирішення якої спрямовано заявлене винахід, є створення пристрою, яке дозволяло б здійснювати паралельне перетворення механічної і теплової енергій в електричну і хімічну енергії.
До технічних результатів, одержуваних від реалізації даного винаходу, можна віднести підвищення ефективності електролізу, отримання поряд з киснем і воднем електричної енергії, і утилізацію тепла будь-якого природного або техногенного походження.
Поставлена задача вирішується, а технічний результат досягається тим, що пристрій для перетворення енергії, наприклад, шляхом електролізу, що містить обертову ємність з валом, заповнену розчином електроліту, встановлену на остові і пов'язану з приводом обертання, електроди, а й канали підведення розчину електроліту в ємність і відведення продуктів електролізу, відповідно до винаходу, забезпечено теплообмінником, електроди або короткозамкнуті між собою або з'єднані в контур через споживач електроенергії, а ємність встановлена з можливістю забезпечення кутової швидкості її обертання , Яка визначається з наступного математичного співвідношення: 
де q a, q k - електричні заряди аніону і катіона електроліту, Кл, в стехиометрическом співвідношенні;
Т - абсолютна температура розчину, К; 
m - різниця мас гідратованих катіона і аніона, кг; 
- Лінійна концентрація важких іонів, м -1; = 10 (C · N) 1/3, де
C - молярна концентрація розчину, моль · л -1,
N - число Авогадро, моль -1;
h - висота стовпа розчину, м;
К - ступінь дисоціації електроліту, 10 -2%;
R - внутрішній радіус ємності, м; 
- Температурний коефіцієнт зміни енергії гідратної зв'язку, К-1; 
o - абсолютна діелектрична проникність, Ф · м -1; - Відносна діелектрична проникність води;
r в - ефективний радіус молекули води, м;
r u - ефективний радіус важкого іона, м.
Представлена вище математична залежність отримана в результаті емпіричних і теоретичних досліджень. Математичні викладки і обгрунтування цієї залежності досить об'ємні і, для того щоб не перевантажувати матеріали даної заявки, не наводяться.
 |
На фіг. 1 і 2 представлені принципові схеми різних конструктивних рішень заявленого пристрою для перетворення енергії. Пристрій містить остов 1, на якому на валу 2 встановлено обертається ємність 3, заповнена водним розчином електроліту. Ємність 3 пов'язана з приводом обертання (не показаний). Пристрій має електроди 4 і 5, а і канали 6, 7 і 8 відповідно для підведення розчину електроліту і відведення продуктів електролізу. Різні конструктивні рішення даного пристрою передбачають різні виконання його теплообмінника. Так, на фіг. 1 зображений, наприклад, трубчастий теплообмінник 9, розміщений в порожнині ємності 3, а в іншому варіанті конструктивного рішення, представленого на фіг. 2, функції теплообмінника 9 може виконувати корпус ємності 3. |
Щодо конструктивного виконання електродів, доречно сказати, наступне. В якості одного електрода 4 може бути використана внутрішня поверхня обертається ємності 3. В якості другого електрода 5 можуть бути використані різні конструктивні елементи, розміщені, наприклад, на валу 2 всередині ємності 3. Так на фіг. 1 і 2 електрод 5 конструктивно представлений у вигляді, наприклад, металевих взаємопов'язаних між собою дисків, встановлених на валу 2 з можливістю вільного обертання. Залежно від хімічного складу використовуваного в пристрої електроліту кожен електрод може виконувати функцію катода або анода.
В одному з конструктивних варіантів пристрій може бути, наприклад, забезпечено сепаратором 10. В інших же випадках (фіг. 2), наприклад при агрегатуванні пристрої з двигуном внутрішнього згоряння, немає необхідності здійснювати поділ водню і кисню, оскільки їх направляють на подальше спалювання, тому сепаратор 10 не застосовують. Крім того, розчин електроліту може виконувати функцію теплоносія, а отже, внутрішній теплообмінник 9 і недоцільний.
Конструктивні виконання теплообмінника та електродів в предмет цього винаходу не входять.
Електроди 4 і 5 можуть бути короткозамкнуті між собою (конструктивно це здійснити нескладно, тому в даній заявці це виконання не наводиться така угода не входить в обсяг домагань), або ж електроди можуть бути з'єднані, наприклад, що ковзає контактом 11, в контур через споживач електроенергії (не показано). Дане з'єднання технічно багатоваріантно і не входить в обсяг якої просять правової охорони. Слід тільки мати на увазі, що з'єднання в контур через споживача електроенергії стало можливим лише тому, що в результаті роботи даного пристрою виробляється електроенергія - звідси поява споживача електроенергії.
В одному з конструктивних виконань для зменшення втрат на тертя ємності 3 об повітря вона може бути укладена в кожух 12 (в предмет винаходу не входить), який утворює герметичну порожнину, повідомлену або з системою забору повітря двигуна внутрішнього згоряння або вакуумним насосом, які знижують тиск газу , а тим самим і силу тертя.
Крім того, для забезпечення циркуляції розчину електроліту диски електрода 5 можуть містити радіальні канали, а самі бути кінематично пов'язаними з гальмівним пристроєм (не показано), що забезпечує їх меншу частоту обертання по відношенню до ємності 3, що породжує в каналах динамічний потік рідини. Ці конструктивні рішення в предмет винаходу не входять. Що стосується математичного співвідношення, що визначає ясну швидкість обертання :
то, як було зазначено вище, математичні викладки, що призвели до цієї залежності, досить громіздкі і приводити їх в матеріалах заявки недоцільно.
Пристрій для перетворення енергії функціонує наступним чином.
У пристрій у обертову ємність 3 через канал 6 подають заздалегідь підготовлений розчин електроліту необхідного обсягу. При цьому його рівень перекриває електрод 5. Розганяють ємність 3 до частоти обертання, певну для даного пристрою за вищенаведеною формулою. Якщо зазначений параметр буде нижче розрахункового (порогового) значення, то різко знижується ефективність електролізу, пов'язана з процесом розкладання води, або він взагалі буде неможливий. При досягненні цієї частоти обертання відбувається розкладання води на водень і кисень, а в пристрої забезпечується дозоване надходження води або свіжого розчину електроліту в ємність 3 по каналу 6 і видалення з неї водню, кисню, а й інших проміжних і кінцевих продуктів процесу через відповідні канали 7 і 8.
В процесі роботи даного пристрою під дією відцентрової сили в ємності 3 створюється поле штучної сили тяжіння, в якому катіони і аніони у вигляді гідратів, що мають суттєво різну власну масу, поділяються. Більш важкі іони своїм електричним полем будуть впливати один на одного і на периферії розчину на внутрішній поверхні ємності 3, як на одному з електродів, утворюється зона з підвищеною концентрацією однойменних іонів, наприклад аніонів, тобто негативний просторовий електричний заряд, який індукує на зовнішній поверхні ємності 3 адекватний заряд (потенціал) з електриків провідності.
У свою чергу легкі іони сконцентруються в області між зазначеним просторовим зарядом і електродом 5, утворюючи свій просторовий заряд (потенціал) протилежного знаку. Відстань між катіонами і аніонами в розчині на умовній межі зіткнення двох просторових зарядів завжди більше відстані між катіонами і поверхнею катода, а отже, напруженість електричного поля в останньому випадку вище. З цієї причини виникло рівновагу буде порушено і порушено саме на електроді 5, якщо величина його потенціалу виявиться достатньою для створення електричного поля, здатного деформувати гідратів оболонки легких іонів. Тоді вони наблизяться до поверхні електрода 5 і розрядяться. Важкі іони, притиснуті відцентровою силою до поверхні іншого електрода 4, не можуть бути в розчині відокремлено, тому вони і віддадуть свій заряд електрода 4 і між ними через ковзний контакт 11 або по короткозамкнут провіднику потече постійний електричний струм. Іони електроліту відновляться, утворюючи водень і кисень, а проміжні продукти електролізу вступлять з водою у вторинні реакції. Таким чином, в заявленому пристрої для перетворення енергії електричний струм породжується протікають окислювально-відновні хімічними реакціями на електродах, а не навпаки, що має місце в відомому пристрої-прототипі.
Реакції освіти молекулярних водню і кисню екзотермічни, що вказує на можливість їх самовільного протікання, але тільки за умови подолання енергетичного бар'єра, встановленого силами гідратних зв'язків. Цей бар'єр руйнується механічним полем штучної сили тяжіння. Відповідно до цього процес стає незворотним і отримує стійкий довготривалий характер, оскільки вказане поле постійно, а на зміну розрядився (відновленим) іонів надходять нові з інших верств розчину. Відновлені водень і кисень спливають до центру ємності 3, при необхідності поділяються сепаратором 10 і видаляються з неї через відповідні канали 7 і 8, віддаючи розчину придбане ними кількість руху, а тим самим забезпечуючи зниження витрат механічної енергії на приводі пристрою.
Продуктивність заявленого пристрою за воднем регулюється зміною частоти обертання ємності 3 або величини омічного опору зовнішньої електричного навантаження споживача. При її мінімальному значенні, тобто короткому замиканні (короткозамкнут електродів), напруга на електродах дорівнюватиме сумі концентраційної різниці потенціалів і електрорушійної силі (ЕРС) відцентрового поля, а якщо зовнішнє опір зросте, то адекватно збільшиться напруга на електродах і зменшиться струм на навантаженні споживача . В цьому відношенні заявлене пристрій істотно відрізняється від відомих електрохімічних і електромагнітних джерел струму та перетворювачів енергії.
Крім того, слід зазначити і та інші особливості робочого процесу заявленого пристрою.
Процес розкладання води на кисень і водень за рахунок відновлення їх іонів супроводжується зменшенням ентальпії розчину, в результаті чого температура розчину постійно знижується, і, якщо не заповнювати тепловтрати, то розчин замерзне і процес припиниться. З цієї причини розчин підігрівають. У разі, коли приплив тепла недостатній, температура розчину стане нижче температури навколишнього середовища, і створяться необхідні умови для поглинання зовнішнього тепла в режимі електрохімічного теплового насоса. Цей пристрій в цьому режимі низькопотенційну теплову енергію перетворює в високопотенційний хімічну енергію відновлених з води водню і кисню. Це дає можливість після їх спалювання знову отримати теплову енергію, але вже більш високого потенціалу, тобто максимально сконцентрувати (трансформувати) для використання.
Слід звернути увагу на те, що підведена до пристрою теплова енергія в результаті здійснення механічної роботи по деформації гідратних зв'язків іонів у водному розчині електроліту паралельно повністю перетвориться в потенційну хімічну та електричну енергії. Його загальний ККД значно більше, ніж у прототипу, і в середньому становить не менше 0,8. При вищевказаної кутової швидкості обертання ємності 3 отримана електроенергія цілком витрачається на подолання внутрішнього провідникові самого пристрою, а в разі перевищення граничної частоти надлишок підведеної механічної енергії породжує вже зовнішню силову електричну енергію (оскільки щільність струму досягає максимального значення або стану насичення, а напруга необмежено зростає), яка, в свою чергу, вже здатна виробляти роботу на споживача. Тим самим пристрій набуває властивостей термохімічного джерела (генератора) електричного струму, що працює з побічним виділенням вільних водню, кисню і поглинанням тепла.
Таким чином, має місце пристрій для перетворення механічної і теплової енергій в електричну і хімічну енергії.
Конструкція заявленого пристрою для перетворення енергії досить проста. Воно виготовляється в умовах як одиничного, так і серійного виробництва з використанням традиційних конструкційних матеріалів і відомих електролітів. Володіючи високими питомими показниками, наприклад масової тепловою потужністю 17-40 кДж · кг -1 розчину, продуктивністю за воднем 15 - 35 моль · м -2 · с -1 електрода і середньої об'ємної електричною потужністю близько 2,2 МВт · м -3, цей пристрій може бути застосовано, наприклад, в агрегаті з ДВС автомобіля, трактора, тепловоза літака, морського судна і інших транспортних засобів, підвищуючи їх паливну економічність в два рази, з паровими турбінами теплових і атомних електростанцій, а й автономному виконанні для утилізації промислового тепла в металургії або природного в сільському господарстві.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
Пристрій для перетворення енергії, наприклад, шляхом електролізу, що містить обертову ємність з валом, заповнену розчином електроліту, встановлену на остові і пов'язану з приводом обертання, електроди, а й канали підведення розчину електроліту в ємність і відведення продуктів електролізу, що відрізняється тим, що пристрій забезпечений теплообмінником, електроди або коротко замкнуті між собою, або з'єднані в контур через споживач електроенергії, а ємність встановлена з можливістю забезпечення кутової швидкості її обертання, яка визначається з наступного математичного співвідношення:
де q a, q k - електричні заряди аніону і катіона електроліту, Кл, в стехиометрическом співвідношенні;
Т - абсолютна температура розчину, К; m - різниця мас гідратованих катіона і аніона, кг; - Лінійна концентрація важких іонів, м -1, = 10 (С · N) 1/3,
де С - молярна концентрація розчину, моль · л -1;
N - число Авогадро, моль -1;
h - висота стовпа розчину, м;
К - ступінь дисоціації електроліту, 10 -2%;
R - внутрішній радіус ємності, м; - Температурний коефіцієнт зміни енергії гідратної зв'язку, К-1; 0 - абсолютна діелектрична проникність, Ф · м -1; - Відносна діелектрична проникність води;
r в - ефективний радіус молекули води, м;
r u - ефективний радіус важкого іона, м.
Версія для друку
Дата публікації 14.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.