СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
METHOD OF PRODUCING HEAT ENERGY

Изобретение относится к физико-химическим технологиям получения тепла, которое генерируется иначе, чем в процессах горения, и может быть использовано в промышленности, а также при создании бытовых нагревателей.
Известен способ получения теплового излучения (см. патент CA 2124364, МПК F24J 3/00, дата публикации 27.11.1995), в соответствии с которым в центральной части шаровой полости создают электрический разряд, ударная волна от которого концентрируется на шаровой поверхности и отражается в зону формирования разряда, что, при определенной частоте разрядов и связанных с ними волн сжатия, создает в центральной части шаровой полости зону повышенного давления, формирует плазму и повышает электронную температуру в зоне разряда, позволяющую повысить параметры теплового излучения.
Недостатком такого способа является то, что формирование излучения в способе требует значительного потенциала электроэнергии, высоких токов и узкого интервала частот разрядов, что усложняет управление процессом и ограничивает сферу применения такого способа. Применение жесткой шаровой поверхности вокруг сформированной плазмы для отражения ударных волн накладывает ограничения на использование полученного в способе теплового излучения.
Известен способ получения нагретого теплоносителя с применением плазмы (см. патент RU 2165561, МПК F24J 3/00, дата публикации: 20.04.2001), в соответствии с которым формируют дуговой разряд, подают в зону дугового разряда воду и за счет ее нагрева дугой формируют пар, который подают в камеру сгорания, где образуется плазменный факел, и полученные в два этапа тепловой обработки продукты используют как источник тепловой энергии.
Способ, работающий на указанной форме разряда (на указанном принципе дугового разряда), имеет ряд недостатков. Общеизвестным недостатком такого способа является то, что формирование дугового разряда в способе требует значительного потенциала электроэнергии и высоких токов. При применении обычного способа зажигания дуги для зажигания тлеющего разряда нужно при атмосферном давлении напряжение порядка десятков киловольт.
В способе сложно управлять дугой. Требуются дополнительные специальные (общеизвестные) средства для зажигания дуги и для преодоления проблемы малой устойчивости дугового разряда. Существование дугового разряда в способе связано с ускоренным разрушением электродов и с переменным расстоянием между электродами. Малый разрядный промежуток (небольшое расстояние между анодом и катодом при атмосферных условиях) создает проблемы с подачей в его зону нагреваемой воды, вследствие чего малая производительность процесса накладывает ограничения на единичную мощность устройства, реализующего такой способ.
Наиболее близким к изобретению является способ получения тепловой энергии (см. патент UA 30564, МПК F24J 3/00, дата публикации 25.02.2008), предусматривающий создание теплогенерирующей сборки с формированием теплогенерирующего элемента, в качестве которого используют электреты, которые формируют из смеси минералов, с использованием природных радионуклидов, формирование электроплазменных зон в теплогенерирующем элементе (в порах между частицами теплогенерирующего элемента) путем пропускания через него электрического тока и осуществление теплосъема с наружной поверхности ограждения теплогенерирующей сборки.
Существенным недостатком способа является большой объем используемых в техническом решении радионуклидов, которые в таком решении применяются для создания основной массы насыпного теплогенерирующего элемента.
Усложняет процесс использования решения пористое состояние теплогенерирующего элемента, который вследствие этого характеризуется низкими прочностными свойствами.
Способ связан с необходимостью длительного периода предварительного выдерживания изготовленного по способу теплогенерирующего элемента (в муфельной печи при температуре 900-1100°C до трех суток) перед практическим использованием.
Способ характеризуется существенным загрязнением теплоснимающего вещества радионуклидами вследствие их наличия и их высокого содержания в объеме теплогенерирующего элемента, что усложняет процесс теплосъема и ограничивает сферу использования теплоснимающего вещества. Применение промежуточного (ограждающего) экрана теплогенерирующей сборки, для снижения загрязнения теплоснимающего вещества радионуклидами, содержащимися в теплогенерирующем элементе дополнительно ухудшает процесс теплосъема, снижает потенциал снимаемого тепла.
В таком способе возможно применение только кондукционного способа теплосъема с внешних элементов ограждения теплогенерирующей сборки. Невозможность использования ряда свойств излучения, возникающего во внутреннем объеме теплогенерирующего элемента между частицами составляющих его материалов в процессе формирования электроплазменных зон, например для проведения технологических процессов на основе этого излучения, например деструкции веществ, вследствие того, что при таком техническом решении в такой теплогенерирующей сборке указанное излучение возможно использовать только опосредованно для передачи энергии от внутренних зон излучения к соседним частицам, а дальше только кондукционным способом к внешним частицам и далее к промежуточному экрану теплогенерирующей сборки.
Осуществление способа связано с частичным выгоранием составляющих теплогенерирующего элемента или изменением положения частиц насыпного материала даже вследствие теплового расширения, что приводит к постепенному увеличению геометрических размеров пор в нем и соответствующему изменению параметров генерации тепловой энергии.
Задачей изобретения является создание способа получения тепловой энергии, в котором за счет новой совокупности действий по формированию зоны теплогенерации и условий осуществления указанных действий, в том числе использования веществ, улучшаются характеристики технических результатов, в частности существенно снижается объем применения радионуклидов, улучшаются условия осуществления теплосъема и передачи тепла потребителю, открывается возможность теплопередачи тепловой энергии излучением, повышается стабильность процесса теплогенерации, что в целом повышает энергетическую эффективность получения тепловой энергии.
Для решения указанной задачи способ получения тепловой энергии предусматривает формирование электроплазменных зон в теплогенерирующей сборке путем пропускания электрического тока через материалы, составляющие теплогенерирующую сборку с использованием в теплогенерирующей сборке для формирования электроплазменных зон радионуклидов и осуществление теплосъема из теплогенерирующей сборки.
Новым в способе является то, что создают в теплогенерирующей сборке двойной конденсаторный электрический слой, формируют на поверхности, по меньшей мере, одного из электродов, выполненных из электропроводящего материала, слой из измельченного материала, в который входят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, обеспечивают частичную диффузию составляющих указанного слоя в поверхность покрываемого электрода, создают не проводящую электрический ток пленку в зоне нанесения сформированного покрытия, ионизируют зону двойного конденсаторного электрического слоя и возбуждают электрический разряд путем подачи напряжения, а после развития плазменного разряда в зоне двойного конденсаторного электрического слоя осуществляют теплосъем.
Применение нового способа приводит к изменению процессов в зоне теплогенерации и появлению новых технических эффектов. В зоне плазменного разогревания происходит интенсивное испарение веществ, возникают плазмохимические реакции на парах веществ, которые окружают плазменный разряд, ионизация указанных веществ, и вследствие указанных процессов плазменный разряд увеличивается и стабилизируется.
Использование радионуклидов только для формирования слоя покрытия на поверхности конденсаторного электрического слоя резко, на несколько порядков, снижает объем используемых в техническом решении радионуклидов, поскольку масса слоя покрытия на поверхности конденсаторного электрического слоя и масса теплогенерирующего элемента, который в аналоге содержит радионуклиды, резко отличаются.
Замена пористого насыпного теплогенерирующего элемента на сформированную по способу сборку жестких элементов повышает прочностные свойства используемых в решении материалов, что упрощает процесс использования решения.
Отсутствует необходимость длительного периода предварительного выдерживания изготовленной по способу теплогенерирующей сборки перед практическим использованием, так как механически собранную теплогенерирующую сборку из применяемых в способе средств можно использовать сразу.
Осуществление способа не связано с существенным изменением геометрических размеров применяемых в нем материалов, что повышает стабильность процесса, происходящего в нем, и не требует применения дополнительных средств для управления возникшей газоразрядной плазмой.
Открывается возможность осуществления теплосъема другими технологическими приемами, например излучением, обливанием используемых материалов жидким теплоносителем и др. вследствие отсутствия излучения внутри массы насыпного материала.
В новом способе состав и концентрация радионуклидов в теплоснимающем веществе не имеют ярко выраженных превышений и находятся на природных уровнях, обусловленных глобальными выпадениями радионуклидов в природных системах.
Практическое отсутствие загрязнения теплоснимающего вещества радионуклидами (в пределах предельно допустимого содержания) обусловлено тем, что масса покрытия, в котором применяются радионуклиды, и масса теплогенерирующего элемента в аналоге резко, на несколько порядков, отличаются, а теплогенерирующая сборка в заявляемом способе не содержит дополнительных радионуклидов (только естественное их содержание, присущее применяемому минералу).
Появляется возможность прямого использования свойств возникающего излучения в процессе формирования электроплазменных зон, например для проведения связанных с теплогенерацией новых технологических процессов, которые невозможно было осуществить в прототипе, например для деструкции веществ указанным излучением вследствие того, что при таком техническом решении его возможно использовать непосредственно.
Поскольку в способе применяются материалы устойчивой формы, отсутствует необходимость крепежных ограждений для сыпучих веществ.
В частных вариантах реализации способа получения тепловой энергии электрический разряд возбуждают путем подачи переменного напряжения в пределах от 20 до 60 В.
Использование указанных пределов напряжения является оптимальным для реализации способа с распространенными материалами и источниками электроэнергии.
В частных вариантах реализации способа теплосъем осуществляют обливанием зоны формирования плазменного разряда распыленной жидкостью, или обдуванием газом.
Применение указанных действий расширяет сферу применения такого способа.
В частных вариантах реализации способа применяют дополнительный элемент, который формируют из тугоплавких материалов, и размещают в зоне теплогенерации, а теплосъем осуществляют из указанного элемента из тугоплавких материалов.
Применение указанного дополнительного элемента из тугоплавких материалов обеспечивает стабилизацию процесса теплогенерации и создает дополнительные возможности по организации процесса теплосъема.
В отдельных вариантах осуществления способа слой из измельченного материала, в который входят радионуклиды или частицы с электретными свойствами, формируют способом детонационного напыления или с использованием дугового разряда, или способом электроплазменного напыления.
Применение указанных действий расширяет диапазон возможных средств для осуществления способа.
В частных вариантах реализации способа слой из измельченного материала, в который входят природные радионуклиды или природные частицы с электретными свойствами, формируют в виде отдельных, не соединенных между собой пятен.
Применение указанных границ осуществления процесса нанесения покрытия вызывает возникновение снопа плазменных разрядов в способе, что улучшает и дополнительно стабилизирует процесс токопереноса. Кроме того, это уменьшает количество применяемых в способе радионуклидов.
В частных вариантах реализации способа толщину слоя из материала, в который входят природные радионуклиды или частицы с электретными свойствами, формируют в пределах от 10 до 150 мкм.
Применение указанных пределов границ нанесения покрытия обеспечивает стабильный процесс формирования плазменного разряда на длительный период и не требует применения дополнительных средств для управления газоразрядной плазмой, которая возникает в способе.
Способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема реализации способа получения тепловой энергии в виде схемы варианта выполнения элементарной теплогенерирующей сборки, а на фиг.2 показана схема подключения источника электропитания к системе последовательно соединенных теплогенерирующих сборок. В таблице приведены условия осуществления способа в примерах.
Температуру в зоне теплогенерации измеряли пирометром «Проминь-КХ2», изготовляемым заводом «Львовприбор» в модификации для интервала 1500-6000°C. Глубину диффузии в примерах определяли исследованием элемента торцевого среза диска с помощью Металлургического микроскопа ML7500 в зонах размещения слоя покрытия из измельченного материала как среднеарифметическое трех изменений в трех зонах среза диска. Загрязнение теплоносителя оценивали с помощью Измерителя мощности дозы ИМД-ИР (С).
На фиг.1 представлены электроды 1 и 2. На поверхность электрода 1 нанесен слой 3 и сформирована не проводящая электрический ток пленка 4. Между электродом 1 и электродом 2 размещены элементы 5 из тугоплавких материалов. Электроды 1 и 2 элементарной (отдельной) теплогенерирующей сборки 6 или концы электродов последовательно соединенной цепочки теплогенерирующих сборок 6 подключены к источнику электропитания, в частности к трансформатору 7 (фиг.2).
Способ осуществляют следующим образом.
Для формирования зоны теплогенерации создают двойной конденсаторный электрический слой с помощью параллельно расположенных электродов из металлических дисков 1 и 2 (в примерах 1-3 из стали НХС 20, в примерах 4-9 из стали НХС 18), размещенных на расстоянии, указанном в Таблице. Предварительно на поверхность диска 1, обращенного к диску 2, наносят слой 3 из измельченного материала, в который входят природные радионуклиды или природные частицы с электретными свойствами (полевой шпат), указанные в Таблице. Для упрощения нанесения радионуклидов, или природных частиц с электретными свойствами, на поверхность диска, примененный в примерах базовый материал слоя 3 покрытия включает композитный тонкодисперсный порошок, составленный смесью полнокристаллических горных пород с включением в них в равных долях, в частности, в примерах 1-3 силицидов, карбидов, гранита и гранитойда, в примерах 4-6 диабаза, норита, базальта с мелкокристаллической структурой, а в примерах 7-9 кварца, сиенита, лабрадорита, и указанные в Таблице радионуклиды или электреты. В примерах 1-3 слой наносили напылением детонационным способом, а в примерах 4-6 способом электроплазменного напыления, а в примерах 7-9 способом с использованием дугового разряда. Примененные методы нанесения слоя обеспечивали также и частичную диффузию составляющих указанного слоя в поверхность диска 1. Слой 3 в представленных примерах формировали в виде отдельных пятен (фиг.1).
Создавали непроводящую пленку 4 в зоне слоя 3 в примерах 4-9 методом термической закалки электрода 1 с напылением в муфельной печи, а в примерах 1-3 методом обработки пламенем пропан-бутановой горелки с использованием кислорода. Вследствие указанной обработки кислород соединяется с веществами, входящими в материал слоя и материал подложки, а на поверхности образуется закись железа, окись железа, окись магния, двуокись титана и др. непроводящие соединения. Элементы из тугоплавких материалов 5 формируют из указанных в Таблице веществ (в том числе природных минералов), размещают их между сформированными ранее электродами 1 и 2 и закрепляют общеизвестными способами с применением традиционных крепежных резьбовых элементов (на схеме не показано).
При подаче напряжения от трансформатора 7 на металлические диски электродов 1 и 2 электроемкость периодически разряжается и формируется вновь, ионизируется зона двойного конденсаторного электрического слоя, создается разряд и возникает газоразрядная плазма, а после развития плазменного разряда в зонах элементов из тугоплавких материалов 5 он в указанных условиях и в указанной зоне благодаря, в том числе и разогреву элементов из тугоплавких материалов 5 становится стабильным, и соответственно теплогенерация в указанной зоне становится стабильной. Теплосъем из зоны теплогенерации осуществляют, например обдуванием воздухом, или обливанием распыленной водой (на схеме не показано). Плазменный разряд, возникающий в способе, при атмосферном давлении характеризуется собственным излучением широкого диапазона, которое открывает принципиальную возможность осуществлять различные дополнительные технологические процессы, связанные с генерацией тепла, например радиолиз, фотолиз и экзотермию различных соединений.
В указанных примерах плазменный разряд в зонах элементов из тугоплавких материалов 5 является стабильным и на его стабильность не влияет, например, обливание зоны теплогенерации водой. Как видно из примеров и из параметров способа, осуществление способа связано с существенным снижением объема применения радионуклидов, вследствие чего способ возможно применять и при создании бытовых приборов. Улучшаются условия передачи тепла потребителю. Вследствие наличия возможности формирования жесткой конструкции без закрытия зоны формирования плазменных разрядов открывается возможность теплопередачи излучением, совокупностью применяемых средств повышается стабильность процесса теплогенерации.