ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР
GAS REACTOR

Область техники.
Изобретение относится к плазменной технике, конкретно к химическим реакторам с использованием электромагнитного излучения и/или электрического разряда в газовой среде для активации и высвобождения потенциальной энергии газов. Изобретение может быть использовано для утилизации дымовых отходов промышленных предприятий и/или для экономного использования природных газов в энергетике, транспорте и авиации.
Уровень техники.
Известен газовый реактор (ЕР 1702212, МПК: H01S 3/00, H01S 3/223, 2006) для накачки лазера, содержащий сосуд со стенками, прозрачными для электромагнитных волн (ЭМВ) водородного реагента, снабженный патрубками для ввода/вывода водорода во внутреннюю полость сосуда и патрубком (волноводом) для подвода электромагнитной энергии в зону реакции этой полости. Квантовая энергия газового реактора далее используется для накачки активной среды лазера. При этом частотный спектр газового реактора охватывает диапазон ЭМВ от мягкого рентгеновского излучения до коротковолнового радиоизлучения.
Недостатком известного газового реактора является недостаточное использование энергии газового реактора, пропорциональное отношению узкого частотного спектра поглощения активней среды лазера к широкому частотному спектру излучения водородного реагента. Это приводит к тому, что затраты на возбуждение водородного реагента газового реактора могут существенно превышать полезную энергию (в данном случае лазерную энергию).
Известны также газовые реакторы Миллса Р.Л. (KR 20060008888, МПК: C01B 3/00, B01J 19/08, B01J 9/12, 2006: JP 2007163503, МПК: G21B 1/00; G21B 3/00; C01B 3/00, 2007; WO 2008134451, МПК: C01B 3/02; C01B 3/00, 2008; ЕР 1941415, МПК: G06F 19/00, G06F 19/00, 2008; AU 2002311772, МПК: F03G 7/10, G21B 3/00, B01J 19/08, 2006; US 2005209788, МПК: C01B 3/00, G01N 31/00, C01B 3/00, 2005; US 6024935, МПК: F02G 1/043, G21B 3/00, F02G 1/00, 2000), содержащие металлический сосуд с двойными стенками, снабженный патрубками для ввода/вывода водорода во внутреннюю полость сосуда, патрубками для ввода/вывода теплоносителя в полость между стенками сосуда и патрубком (волноводом) для подвода электромагнитной энергии во внутреннюю полость сосуда. Тепловая энергия газового реактора далее используется для выработки пара, вращения паровой турбины и ротора генератора электрической энергии. Затраты электрической энергии на получение водорода и активацию последнего в зоне реакции составляют не менее 40% от полезной (тепловой) энергии газового реактора.
Недостатком известного реактора является недостаточный коэффициент использования внутренней энергии газа, связанный с частичным использованием энергии водородного реагента (теплового излучения) из всего частотного спектра его излучения, а также с дополнительными затратами энергии на извлечение водорода из природных источников, например из воды. Другими недостатками реактора является отсутствие природных источников водорода и взрывоопасность последнего.
Указанные недостатки устранены в газовых реакторах Чуканова К.Б. (US 2003094911, МПК: G21B 1/00, G21K 1/00, G21B 1/00, 2003; US 6936971; WO 03044806; AU 2002360936; US 5537009, МПК: H05B 41/24, H05B 41/24, 1996), содержащем сосуд из кварцевого стекла с двойными стенками, снабженный патрубками для ввода/вывода атмосферного воздуха во внутреннюю полость сосуда, патрубками для ввода/вывода теплоносителя в полость между стенками сосуда и патрубком (волноводом) для подвода электромагнитной энергии во внутреннюю полость сосуда. Газовый реактор излучает квантовую энергию в полосе частот от мягкого рентгеновского излучения до миллиметрового диапазона электромагнитных волн. Расширенный диапазон излучения электромагнитных волн позволяет увеличить полезную работу реактора и снизить затраты электрической энергии на активизацию реагента в зоне реакции. Тепловая энергия теплоносителя (инфракрасное излучение) газового реактора используется для выработки пара, вращения паровой турбины и ротора генератора электрической энергии. Квантовая энергия более коротких диапазонов электромагнитных волн, выходящих за пределы стенок прозрачного реактора, может использоваться для прямого преобразования в электрическую энергию с помощью матриц из фотоэлементов, установленных с внешней стороны реактора. Согласно указанным выше источникам и публикациям на сайте www.chukanovenergy.com достигнута мощность газового реактора сотни кВт при затратах электрической энергии десятки кВт на активацию реагента. При этом в камере объемом газового реактора использовался воздух, а также другие негорючие в нормальном состоянии газы с плотностью, не превышающей плотность атмосферного воздуха в приземных слоях атмосферы. Удельная потенциальная энергия газовой плазмы в газовом реакторе практически мало зависела от вида газового реагента и его местоположения в таблице Менделеева.
Наиболее близким по конструкции из этих газовых реакторов к заявляемому изобретению относится газовый реактор (US 6936971, НКИ: 315.111.91; 315.108, 2005), содержащий камеру с входными патрубками для подвода газа и электромагнитного излучения в полость камеры, снабженной тугоплавкими электродами, установленными в ее полости, для подключения внешнего источника высоковольтного напряжения. При этом для исключения возможности релаксации плазмы и снижения затрат на ионизацию камера выполнена закрытой (полость камеры изолирована от внешней воздушной среды) и ограниченной по объему. Камера выполнена из кварцевого стекла с двойными стенками и патрубками для соединения полости между стенками с теплообменником. Пространство между стенками заполнено теплоносителем, преимущественно водой, нагреваемой излучением плазмы газа, генерируемой в полости камеры.
Недостатками этого реактора являются: относительно небольшая выходная мощность, связанная с недостаточной прочностью кварцевой камеры; трудность оперативного управления выходной мощностью газового реактора, связанная с неустойчивостью и относительно большим требуемым временем формирования «энергетического ядра» плазмы в недостаточно прочном стеклянном сосуде; а также относительно большие габариты, обусловленные ограничениями на прочность камеры (на удельную энергию давления на стенки стеклянного сосуда в зоне реакции).
Постановка задачи. Технической задачей изобретения является устранение недостатков прототипа и, в первую очередь, повышение выходной мощности газового реактора и возможность управления его энергетикой в реальном масштабе времени.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является импульсное преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую энергию и регулировка средней выходной мощности газового реактора частотой следования импульсов активации.
Сущность изобретения.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи достигается тем, что газовый реактор, содержащий камеру с входными патрубками для подвода газа и электромагнитного излучения в полость камеры, снабженной тугоплавкими электродами, установленными в ее полости, для подключения внешнего источника высоковольтного напряжения, согласно изобретению, камера дополнительно снабжена соплом для вывода высокого давления плазмы из полости камеры, камера выполнена из металла, покрыта с внешней стороны слоем свинца, а с внутренней - слоем тугоплавкого диэлектрического материала, при этом входной патрубок для подвода газа в полость камеры снабжен обратным клапаном, а полость входного патрубка для подвода электромагнитного излучения изолирована от полости камеры газового реактора экраном из прозрачного для электромагнитных волн материала.
При этом тугоплавкий диэлектрический материал покрытия внутренней полости камеры выполнен из фарфора или керамики. Тугоплавкие электроды выполнены из вольфрама или графита. Сопло для вывода высокого давления плазмы из полости камеры выполнено в виде сопла Ловаля или Маха.
Описание чертежей.
На фиг.1 представлена конструкция газового реактора, на фиг.2 - его поперечный разрез.
3
Описание в статике. Газовый реактор содержит камеру 1 с входными патрубками 2, 3 для подвода газового реагента (воздуха, дымовых газов, паров воды и других горючих или негорючих материалов в газообразном состоянии) и электромагнитного излучения 4 в полость 5 камеры 1 соответственно. С противоположных сторон камеры 1 установлены тугоплавкие электроды 6 и 7 соответственно для ввода в полость 5 камеры 1 высоковольтного напряжения от внешнего источника высоковольтного напряжения. Камера 1 снабжена соплом 8 для адиабатического охлаждения истекающей плазмы из полости 5 и сопряжения по давлению камеры 1 с потребителем кинетической энергии газа. Камера 1 выполнена из металла, покрыта с внешней стороны слоем 9 свинца, а с внутренней - слоем 10 из тугоплавкого диэлектрического материала. Объем камеры 1 газового реактора выбирают из условия достаточности энергетики внешних источников энергии для создания во всем объеме камеры 1 плотности энергии не менее 1,0 Дж/см за время не более 1,0 мс и исключения разрыва камеры 1 при взрыве заключенной в ней массы газового реагента. Входной патрубок 2 для подвода газа в полость камеры снабжен обратным клапаном 11. Полость входного патрубка для подвода электромагнитного излучения 4 изолирована от полости камеры газового реактора экраном 12 из прозрачного для электромагнитных волн материала, преимущественно в форме линзы для фокусировки электромагнитного излучения и создания плотности СВЧ-энергии, достаточной для инициирования электрического пробоя газового реагента в полости 5 камеры 1. Тугоплавкий диэлектрический материал покрытия 10 внутренней полости 5 камеры 1 выполнен из фарфора или керамики. Тугоплавкие электроды 6 и 7, используемые для подвода высоковольтного напряжения в зону реакции камеры 1 выполнены из вольфрама или графита. Сопло для вывода высокого давления плазмы из полости камеры выполнено в виде сопла Ловаля или Маха.
Описание в динамике.
3
9
3
Газовый реактор работает следующим образом. К электродам 6 и 7 подключают источник высоковольтного напряжения, например емкостной накопитель энергии. Полость 5 камеры 1 через патрубок 2 и его клапан 11 заполняют воздухом из атмосферы, дымовой трубы промышленного предприятия или через редуктор - дозатор из баллона со сжатым газовым реагентом. После заполнения полости 5 газовым реагентом к патрубку-волноводу 3 от внешнего источника электромагнитных волн подводят электромагнитный импульс 4 длительностью порядка 1,0 мс, с плотностью энергии не менее 1 Дж/см и с частотой заполнения, соответствующей одной или нескольким резонансным частотам поглощения ЭМВ газовым реагентом. Электромагнитный импульс, проходя через линзу 12, фокусируется в центре полости 5 камеры 1 и создает между электродами плотность мощности, достаточную для электрического пробоя газового реагента, например для воздуха при нормальном атмосферном давлении 10 Вт/см. При этом в зоне электрического пробоя образуются носители тока электроны и ионы, вызывающее замыкание электродов 6-7 высоковольтного источника напряжения. Происходит мощный электрический разряд между электродами 6-7 и полный отрыв всех электронов от своих атомов. Освобожденные от электронных оболочек положительно заряженные ядра атомов объединяются (за счет свободы движения и возможности приближения к границе действия мощных гравитационных сил) в общее положительное ядро 13 и облако электронов 14 над объединенным ядром 13. При этом ввиду затруднения доступа нейтральных атомов в зону реакции из внешней среды (преобладания процесса ионизации над процессом релаксации) и объединения ядер в одну общую массу электроны скачкообразно оказываются на высоких энергетических уровнях относительно удаленных от них ядер. При переходе возбужденных электронов на нижестоящие энергетические орбиты происходит выделение квантовой энергии, вызывающей мгновенный нагрев газового реагента в камере 1 и выделение энергии через сопло 8 преимущественно в форме кинетической энергии плазмы (ударной волны). После разлета плазмы и выхода ударной волны из камеры 1 в ее полости 5 образуется вакуумное разряжение, разрывающее ток между электродами 6 и 7. Образование вакуума приводит к отрыванию обратного клапана 11 и забор очередной партии газового реагента через патрубок 2 в полость камеры 1. Далее импульсный режим работы газового реактора повторяется. Кинетическая энергия газового реактора может быть использована для приведения во вращение генераторов электрической энергии, двигателей транспортных средств, летательных аппаратов, а также прямого преобразования энергии плазмы, протекающей через сопло 8, в электрическую энергию индукционным и кондукционным методами. Выходная мощность газового реактора может регулироваться частотой следования высокочастотных импульсов 4.
Объединение ядер, освобожденных от электронных оболочек, можно объяснить действием гравитационных сил, превышающих электрическую силу отталкивания положительно заряженных протонов, за счет относительно большой массы ядер по сравнению с массой отдельных электронов и в связи с малыми межатомными расстояниями. В работах Миллса Р.Л. (США) объединение ядер и скачкообразное повышение энергии газовой плазмы объяснятся туннельным эффектом, в работах Чуканова К.Б. (Канада) - экспериментально зафиксированными им свойствами высокоионизированной плазмы, неизвестными ранее из классической физики.
Указанное изобретение не ограничивается вышеприведенными примером его осуществления. В рамках указанного изобретения возможна активация газового реагента при различных сочетаниях параметров и видов источников электрической энергии и газовой среды. Так, для уменьшения энергетических затрат на возбуждение газового реагента высоковольтное напряжение, подаваемое на электроды 6 и 7, может быть импульсным с частотой следования импульсов, соответствующей смежным линиям (резонансным частотам) поглощения используемого газового реагента. Для этого также могут быть использованы катализаторы.
Промышленная применимость. Изобретение разработано на уровне технического предложения и физического моделирования активации газовой среды комплексным воздействием электромагнитных волн и электрического разряда в ограниченном от внешней среды объеме.