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)

Водневих ГЕНЕРАТОР СТУДЕНКОВА

В. В. Студенников

Ласкаво просимо на форум

В останні десятиліття стала абсолютно очевидною ситуація, при якій подальше інтенсивна розбудова сучасної енергетики і транспорту веде людство до великомасштабного екологічної кризи. Стрімке скорочення запасів викопного палива буде примушувати індустріально розвинені країни розширювати мережу атомних енергоустановок, які у все зростаючій мірі стануть підвищувати небезпеку їх експлуатації. Різко загостриться проблема утилізації радіоактивних відходів.

З огляду на цю тривожну тенденцію, багато вчених і практики виразно висловлюються на користь прискореного пошуку альтернативних нетрадиційних джерел енергії. Зокрема, їх погляди звертаються до водню, запаси якого в водах Світового океану невичерпні. До того ж незаперечною перевагою цього палива є відносна екологічна безпека його використання, прийнятність для теплових двигунів без істотної зміни їх конструкції, висока калорійність, можливість довготривалого зберігання, транспортування по існуючій транспортній мережі, які не токсичність і т.д .. Однак істотною не подолання проблемою до сьогоднішнього дня залишається неекономічність його масового промислового виробництва. Понад 600 фірм, компаній, концернів, університетських лабораторій і громадських науково-технічних об'єднань Західної Європи, США, Австралії, Канади і Японії посилено працюють над здешевленням водню (див. Журнал "Автомобільний транспорт", №4, 1992, с.38). Практично у всіх країнах комі СНД створені національні Водневі Асоціації. Успішне вирішення цього найважливішого завдання революційним чином змінить всю світову економіку і оздоровить навколишнє середовище.

Є цілий ряд відомих способів розкладання води: хімічний, термохимический, електроліз і ін., Але всі вони володіють одним і тим же великим недоліком - в технологічному процесі отримання водню використовується дорога високопотенційний енергія, на отримання якої в свою чергу витрачається дефіцитне викопне паливо (вугілля , природний газ, нафтопродукти) або електроенергія, що виробляється на електростанціях. Таке виробництво водню, природно, завжди буде залишатися неекономічним і екологічно небезпечним, а, отже, безперспективним.

Разом з тим наша планета в буквальному сенсі слова купається в потоці теплової енергії, що надходить від Сонця, із земних надр і від господарської діяльності людини. Вся проблема зводиться лише до того як "вписати" цей невичерпне джерело безкоштовного низько потенційного тепла в промислову технологію отримання водню з води. Тому постає питання про концентрацію низько потенційної енергії до необхідних термодинамічних параметрів.

Традиційно він вирішується застосуванням оптичних концентраторів інфрачервоного випромінювання Сонця (збирають лінзи, дзеркала і т.п.) або використанням теплових насосів, зазвичай коли термічний потенціал дуже незначний, наприклад, в разі відбору тепла з навколишнього повітряного або водного середовища. Перше з названих технічних рішень дуже сильно залежить від кліматичних і масштабних факторів, нестабільно в часі, а тому не знайшло широкого застосування. Друге рішення в меншій мірі піддається впливу цих факторів, але не забезпечує досить високого ступеня концентрації (зазвичай не більше 7-10 разів), що на практиці не дозволяє сконцентроване таким способом розсіяне тепло безпосередньо з успіхом використовувати в процесі розкладання води.

Здавалося б, перспективний на перший погляд напрямок розвитку енергетики просто нездійсненно. Однак це не так. Така можливість існує. Рішення проблеми стає очевидним, якщо процес електролізу водного розчину електроліту і подальше спалювання отриманих водню і кисню розглядати як єдиний замкнутий термодинамічний цикл теплового насоса.

Як відомо причина марнотратною витрати електроенергії при класичному електролізі криється в тому, що вона використовується на подолання сил гідратних зв'язків іонів з молекулами води і компенсацію ендотермічного ефекту реакції її розкладання. Тому для забезпечення відновлення іонів на відповідних електродах необхідно докласти більше напруження, ніж в разі, коли проявлялась би це фізичне явище. З цієї та інших причин витрати електроенергії на вироблення одного кубометра водню з урахуванням перенапруги при традиційному електролізі в промислових умовах складають 18-21,6 МДж, а загальна витрата енергії (з урахуванням виробництва самої електроенергії) перевищує 50 МДж, що робить водень неприпустимо дорогим ( в США оптова ціна 1,17-3 $ / м³).

В результаті проведених робіт винайдено і патентується по системі РСТ (міжнародна заявка RU98 / 00190 від 07.10.97 р, російський патент №2174162 від 27.09.2001 р) просте високопродуктивне пристрій для розкладання води та виробництва з неї безпрецедентно дешевого водню методом гравітаційного ( інерційного) електролізу розчину електроліту, що отримало назву "електроводородний генератор (ЕВГ)". Він приводиться в дію механічним приводом і працює при звичайній температурі в режимі теплового насоса, поглинаючи через свій теплообмінник необхідне при цьому тепло з навколишнього середовища або утилізувавши тепло втрати промислових або транспортних енергоустановок. У процесі розкладання води підведена до приводу ЕВГ надлишкова механічна енергія може бути на 80% перетворена в електроенергію, яка потім використовується будь-яким споживачем на потреби зовнішньої корисного навантаження. При цьому на кожну одиницю витрачений потужності приводу генератором залежно від заданого режиму роботи поглинається від 20 до 88 енергетичних одиниць низько потенційного тепла, що власне і компенсує негативний термічний ефект хімічної реакції розкладання води. Один кубічний метр умовного робочого обсягу генератора, що працює в оптимальному режимі з ККД 86-98%, здатний за секунду зробити 3,5 м³ водню і одночасно близько 2,2 МДж постійного електричного струму. Одинична теплова потужність ЕВГ в залежності від розв'язуваної технічної завдання може варіюватися від декількох десятків ват до 1000 МВт. Розрахунковий питома витрата енергії на виробництво газоподібного водню становить 14,42 МДж × м³. Оскільки в процесі в основному використовується дармова теплота і дешева вода, то вартість виробництва кубометра водню знижується до 0,0038 $ і стає в 1,5-2 рази нижче сумарної вартості видобутку і транспортування природного газу. Широкий діапазон регулювання і неординарні удільні показники процесу дозволяють з гарантованим успіхом застосувати винахід у великій і малій енергетиці, на всіх видах транспорту, в сільському і комунальному господарствах, в хімічної, цементної, целюлозно-паперової, холодильної, атомної та космічної промисловості, кольорової металургії та чорної металургії, при опріснення морської води, проведенні зварювальних робіт і т. д ..

Фізична сутність робочого процесу ЕВГ вельми проста, повністю експериментально доведена і є логічним розвитком відомих фізичних дослідів Толмена і Стюарта, здійснених ними в 1916 році. Відомо, що електроліт при розчиненні дисоціює на іони, які гидратируются молекулами води. В результаті навколо них утворюються гідратів оболонки різної міцності. Енергія взаємодії гідратованих різнойменних іонів друг з одним різко зменшується і стає близькою енергії броунівського руху молекул води. Якщо концентрований розчин диссоциированного електроліту, що має значну різницю мас аниона і катіона, помістити в сильне штучне гравітаційне (інерційний) полі, наприклад, вирощують його в ємності ЕВГ (розрахункова частота обертання для різних електролітів і параметрів пристрою 1500-40000 об / хв), то іони будуть частково сепаруватися.

Важкі іони, впливаючи один на одного своїм електричним полем, зміщуються до периферії ємності. Крайні пригорнуться до її внутрішньої поверхні і створять просторовий концентраційний електричний потенціал. При цьому результуюча відцентрова сила, що діє на притиснуті до аноду іони (аніони) зруйнує їх гідратів оболонки, як найслабші. Легкі іони менш чуйні до гравітації і оточені більш міцними оболонками, тому не можуть повністю віддати важким іонів свої молекули гідратної води. В силу цих обставин вони зосередяться над важкими іонами і в області осі обертання (у катода), утворюючи електричний потенціал протилежного знака. Напруженість електричного поля досягне декількох десятків тисяч вольт \ метр. Вільні електрони в аноді під дією просторового (об'ємного) заряду аніонів перемістяться на катод (властивість циліндра Фарадея).

При досягненні необхідної мінімальної (порогової) частоти обертання ємності з даними електролітом і прийнятими конструктивними параметрами пристрою, тобто критичної величини електричних потенціалів на електродах, рівновагу зарядів порушиться. Електрони вийдуть з катода і іонізують молекули гідратних оболонок, а ті передадуть заряди катіонів. Інакше кажучи, як би відбудеться пробій своєрідного електролітичного конденсатора і почнеться розряд іонів з утворенням на катоді вільного водню, а на аноді кисню і анодних газів (осаду). Напруга (різниця потенціалів) електричного струму буде залежати від швидкостей хімічних реакцій на катоді і аноді.

Таким чином, внаслідок дії фізичного принципу оборотності енергії гравітаційного поля породить енергетично адекватне йому електричне поле, яке подолає енергію гідратації і здійснить електроліз. Цей процес протікає з поглинанням розчином через теплообмінник виробництва тепла й вимагає постійного розведення його водою до початкової концентрації. Його принципова енергетична схема багато в чому схожа зі схемою традиційного електролізу, але в ній не застосовується зовнішній дорогий електричний струм, а використовується більш дешева теплота навколишнього середовища або інших джерел.

У розчині
HBrO ₃ → H ⁺ + BrO ₃^- або, наприклад, H ₂ O + SO ₂ + 0,5O ₂ → H ₂ SO ₄

H ₂ SO ₄ → 2H ⁺ + SO ₄^-2

на катоді
2H ⁺ + 2е ^- → H ₂ ↑

на аноді
2BrO ₃^- - 2е ^- → 0,5O ₂ ↑ + Br ₂ O ₅ або SO ₄^-2 - 2e → SO ₂ ↑ + O ₂ ↑

У пріанодном просторі реакція осаду з гідратної водою
Br ₂ O ₅ + H ₂ O → 2HBrO ₃ або H ₂ O + SO ₂ → H ₂ SO ₃

HBrO ₃ → H ⁺ BrO ₃^-

H ₂ SO ₃ → 2H ⁺ + SO ₃^-2

Тут слід зазначити чотири досить істотні особливості інерційного електролізу.

По-перше, робота механічного інерційного поля, що витрачається їм на осадження молекул води, легких і особливо важких іонів, практично повністю заповнюється кінетичної енергією спливаючих до осі ємності водню, кисню і анодних газів, оскільки їх щільність менше, ніж щільність розчину. В результаті сума моментів кількості руху початкових і кінцевих продуктів електролізу стає близькою нулю, тобто механічна робота в розчині майже не проводиться. Вона в ЕВГ витрачається в основному тільки на його приводі проти сил тертя. Цей фактор дозволяє створити генератор з дуже високим ККД. Анодний осад і спливли гази вступають у вторинні хімічні реакції з водою і киснем, утворюючи вихідний склад розчину.

По-друге, інтенсивне самоохолодження розчину забезпечує умови для поглинання ним тепла з навколишнього середовища або від інших джерел на компенсацію ендотермічного ефекту реакції розкладання води, тобто роботу в режимі високоефективного теплового насоса.

По-третє, він здатний виробляти постійний електричний струм на зовнішньому навантаженні в тому випадку, якщо частота обертання ємності буде більше мінімально необхідної (порогової). Тоді ЕВГ проявляє властивості електрогенератора з вольтамперної характеристикою конденсаторного типу (напруга на затискачах прямо пропорційно зовнішньої навантаженні).

По-четверте, ЕВГ одночасно в одному апараті поєднує і виконує функції відразу двох пристроїв - електрогенератора постійного струму і електролізера.

І нарешті, використання в процесі отримання водню дармовий теплоти навколишнього середовища, тепло втрат промислових, енергетичних установок або транспортних засобів та дешевої води різко зменшує вартість виробництва цього газу.

Всі ці особливості забезпечують інерційному електролізу незрівнянно вищу ефективність, а, отже, більшу економічність.

Електроводородний генератор конструктивно простий, органічно вписується в компонування різних силових рухових установок транспортних засобів, наприклад, автомобіля, автобуса, сільгоспмашини, тепловоза або трактора і добре з ними агрегатується, особливо з тепловими турбінами. При цьому, поряд з рішенням основної техніко-економічного завдання, зумовленої дворазовим підвищенням паливної економічності за рахунок корисного використання тепло втрат ДВС, а в результаті зниження його токсичності і збільшення загального ККД до 68-70%, створюється передумова для розробки вже в найближчому майбутньому принципово нового, більш досконалого транспортного засобу - масового електромобіля з великим запасом ходу, що працює на тепломеханічному джерелі струму.

Впровадження ЕВГ як утилізатора тепла на численних компресорних станціях магістральних газопроводів дозволить підвищити в 2-2,5 рази паливну економічність турбоагрегатів за рахунок використання їх тепло втрат і теплоти, що виділяється при компресії природного газу на вироблення водню, яким можна на 60% заповнити витрата вуглеводневої палива і тим самим забезпечити його відчутну економію, тобто збільшити обсяг продажу без збільшення видобутку.

Багатообіцяючою є ідея охолодження за допомогою ЕВГ транспортується природного газу до мінусової температури. Це дозволить застосувати елеваторний (газостатичному) принцип створення додаткового надлишкового тиску в магістралі (приблизно на 6-8%), а й збільшити пропускну здатність і термін служби трубопроводу. Витягнута з природного газу теплота може бути перетворена і використана на потреби господарських об'єктів, розташованих уздовж траси газопроводу. Енергетичні переваги такого способу очевидні, особливо в гірських умовах прокладки газопроводу.

Оснащення приводів дорожньо-будівельної техніки, різних самохідних машин ЕВГ знизить в 1,7-2 рази споживання дизельного чи газоподібного палива, що спричинить за собою зменшення собівартості будівельних робіт.

Переклад залізничного транспорту на тягу тепловоза із застосуванням ЕВГ обіцяє різке зниження експлуатаційних витрат на технічне обслуговування електричних мереж і істотну економію електроенергії.

ЕВГ на морських і річкових суднах може використовувати тепло забортної води, що дасть можливість замінити атомні енергоустановки, багаторазово скоротити запаси перевезеного вуглеводневої палива, а тим самим підвищити корисну вантажопідйомність і екологічну безпеку експлуатації суден при фактично необмеженої автономності плавання. Поряд з цим замість традиційного гвинта може здійснюватися безпосереднє пряме перетворення хімічної енергії спалюються водню і кисню в механічну кінетичну енергію в прямоточних реактивних водометних движителях, що спростить конструкцію головного двигуна судна. Плаваючі мобільні електрогазогенераторние станції зможуть постачати фактично дармовий тепловою та електричною енергією великі прибережні населені пункти, промислові або сільськогосподарські об'єкти. Розрахункова вартість виробництва МДж тепла в російських умовах при цьому складе 0,027-0,04 центи США, а електроенергії 0,08-0,11 цента.

Схема застосування ЕВГ на повітряних судах разом з теплообмінниками, які здійснюють енергетичну зв'язок між ними і турбінними двигунами, додатково повинна містити бортовий конденсатор водяної пари допоміжних газових турбогвинтових ДВС, які працюють на чистій воднево-кисневої суміші, що дасть можливість багаторазово використовувати мінімальний запас зворотному води в замкнутому циклі, а й в достатку забезпечити транспортний засіб електроенергією. Таке конструктивне рішення потягне за собою зниження польотного ваги за рахунок зменшення запасу палива, а, отже, збільшить вантажопідйомність літака в залежності від його класу і дальності польоту на кілька десятків тонн, що різко скоротить собівартість перевезень.

На космічних станціях ЕВГ може замінити гіроскопи і традиційні сонячні батареї, а й забезпечити орієнтаційні двигуни ефективним, багаторазово дешевшим і безпечним паливом.

Утилізація надлишкового тепла в вугільних шахтах ліквідує гостру проблему безпеки вуглевидобутку, а підземне випалювання залишків вугілля неперспективних шахт і використання отриманого тепла на виробництво водневого палива і електроенергії вирішить соціальні проблеми вугледобувних регіонів.

Різні модифікації мощностного ряду ЕВГ можуть знайти своє застосування в малій стаціонарного та мобільного енергетиці, особливо в сфері енергозабезпечення віддалених поселень, промислових об'єктів, експедицій, фермерських господарств, сушарок, тепличних комплексів і т.д .. В останньому випадку стане можливим цілорічне валове виробництво дешевої рослинницької продукції в районах з холодним кліматом. Енергетичним джерелом для ЕВГ при цьому може служити теплота будь-яких водойм, промислових і побутових стоків, від спалювання сміття і органічних відходів, зовнішнього або внутрішнього повітря (наприклад, метрополітену, шахт, житлових та громадських будівель), різних промислових парів і газів, в тому числі в металургії, хімії і теплоенергетиці, компостних ям в сільському господарстві, а й сонячна, вітрова та геотермальна енергія.

Застосування винаходу на діючих теплових і атомних електростанціях істотно підвищить їх рентабельність за рахунок корисного використання тепло втрат. Існує реальна можливість перекладу теплових станцій на використання в якості палива водню, отриманого при перетворенні теплоти прилеглих водойм. У цьому випадку собівартість виробництва електроенергії знизиться в 1,5 рази.

У чорній металургії водень замінить дорогий і дефіцитний кокс, дозволить вести більш ефективний внедоменний процес отримання сталі, опалювати печі і застосовувати в конвекторах побічно виділяється при розкладанні води кисень, а не виробляти його для цієї мети спеціально. При цьому труби металургійних заводів припинять викидати в атмосферу сотні тисяч тонн вуглекислоти. Не менший ефект очікується в кольоровій металургії.

Особливий інтерес винахід представляє для фахівців, що займаються проблемами сепарації різних неорганічних речовин, наприклад, збагаченням урану. Пропонований спосіб дозволяє просто і ефективно безперервно розділяти ізотопи U ₂₃₅ і U _238, одночасно виділяючи їх з водного розчину в вигляді металевого порошку, тобто об'єднати ці два різних процесу в одному високопродуктивному малогабаритному апараті.

Простота конструкції ЕВГ для промислових підприємств дає можливість протягом декількох місяців освоїти серійний випуск деяких найбільш простих модифікацій генератора для потреб малої енергетики без особливих організаційно-технічних зусиль і значних капіталовкладень. Модернізація діючого вантажного автомобільного та автобусного парків в країні може бути першим етапом широкомасштабного впровадження винаходу на транспорті. Кілька великих витрат коштів і часу буде потрібно на розробку ЕВГ для інших видів транспорту і потужних енергетичних комплексів, а й кінцеві якісні результати будуть тут незрівнянно вище. При серійному випуску генератора в специфічних російських умовах собівартість виробництва цього виробу оцінюється близько 15-25 $ / кВт теплової потужності. Розрахункова рентабельність капіталовкладень в освоєння новації становить понад 60% при терміні окупності менше 1,5 років. Річний економічний ефект застосування генератора в середньому близько 40-60 дол. На кіловат його теплової потужності. Крім того, промислова продукція, що включає в себе ЕВГ, підвищує експортні можливості підприємств-виробників. В даний час авторами продана ліцензія канадської корпорації GenOil на суму роялті 60 млн. Доларів на рік.

Є докладний науково-технічне обгрунтування робочого процесу інерційного електролізу, відгуки і висновки наукових інститутів, а й СD-фільм про випробування, конструкторська документація на макет генератора і його діючий зразок.

Автор: В.В. Студенников

Цим повідомляємо Вас, що 20 серпня 2002 р-н Студенников В. В. помер і все права на водневий генератор передані ТОВ "аламбика-Альфа".

В даний час створена робоча документація і виготовляється перший дослідно-промисловий зразок водневого генератора до міні-електростанції 4,5 кВт електричної потужності.

З повагою,
генеральний директор
ТОВ "аламбика-Альфа"
Могилевський Ігор Миколайович
Дата публікації 08.03.2004гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів