ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР С СВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Область техники. Полезная модель относится к плазменной технике, конкретно к газовым реакторам с использованием электромагнитного сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения и электрического разряда в газовой среде для активации химической реакции и высвобождения потенциальной энергии газов. Реактор может быть использован для прямого преобразования потенциальной энергии атомов газов в электрическую и/или механическую энергию.
Уровень техники. Известен газовый реактор с СВЧ-возбуждением (US 69369761, НКИ: 315.111.91; 315.108, 2005), содержащий камеру с патрубками для подвода газового реагента в полость камеры и вывода отработанного реагента из полости камеры, а также содержащий источник накачки газового реагента, включающий генератор электромагнитных волн (ЭМВ) с резонатором и высоковольтный разрядник, электроды которого выведены в полость камеры, корпус которой выполнен из тугоплавкого диэлектрического материала.
При этом тугоплавкий корпус камеры газового реактора выполнен 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 и трудность оперативного управления выходной мощностью газового реактора, связанные с непрерывным поддержанием «тлеющего электрического разряда» в камере реактора.
Постановка задачи. Технической задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа и, в первую очередь, повышение выходной мощности газового реактора и обеспечение возможности 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 газового реагента.
Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи достигается тем, что газовый реактор с СВЧ-возбуждением, содержащий камеру из тугоплавкого диэлектрического материала с патрубками для подвода газового реагента в полость камеры и вывода отработанного реагента из полости камеры, а также содержащий источник накачки газового реагента, включающий генератор электромагнитных волн (ЭМВ) с резонатором и высоковольтный разрядник, электроды которого выведены в полость камеры, корпус которой выполнен из тугоплавкого диэлектрического материала, согласно полезной модели он дополнительно содержит управляемый по частоте генератор импульсов, соединенный по выходу с управляющим входом источника накачки, корпус камеры реактора установлен непосредственно в резонаторе генератора ЭМВ, при этом патрубок для подвода газового реагента в полость камеры снабжен обратным клапаном.
При этом генератор ЭМВ выполнен в виде магнетрона или пролетного клистрона, тугоплавкий диэлектрический материал корпуса камеры - из керамики, кварцевого стекла или фарфора, а тугоплавкие электроды - из вольфрама или графита.
Дополнительное введение управляемого по частоте генератора импульсов и соединение его выхода с управляющим входом источника накачки позволяет ввести импульсный режим работы газового реактора, обеспечивающий дозированный и щадящий импульсный отбор кинетической энергии плазмы газового реактора и одновременно позволяющий повысить энергию газового реактора в импульсе и упростить управление средней выходной его мощностью регулировкой частоты следования импульсов поджига газового реагента. Установка корпуса камеры реактора непосредственно в резонаторе генератора ЭМВ позволяет снизить потери энергии ЭМВ на активацию газового реагента и, тем самым, дополнительно повысить коэффициент полезного действия газового реактора. Выполнение генератора ЭМВ в виде магнетрона или пролетного клистрона, выбор тугоплавкого диэлектрического материала корпуса камеры - из керамики, кварцевого стекла или фарфора, а тугоплавких электродов - из вольфрама или графита позволяют реализовать газовый реактор на основе известной элементной базы.
На фиг.1 представлена конструкция газового реактора с СВЧ-возбуждением для получения кинетической энергии из дымовых газов, на фиг.2 - поперечный разрез камеры и макроядра, образованного в результат объединения (синтеза) ядер перед микроврывом газового реагента.
м
н
o
2
3
Описание в статике. Газовый реактор с СВЧ - возбуждением содержит камеру 1 с патрубком 2 для подвода газового реагента в полость камеры 1 и с патрубком 3 для вывода кинетической энергии плазмы, фотонного излучения и отработанного газового реагента. Патрубок 2 для подвода газового реагента в полость камеры снабжен обратным клапаном 4. Камера 1 установлена в СВЧ-резонаторе 5 импульсного генератора 6 электромагнитных волн (ЭМВ). Генератор 6 ЭМВ (СВЧ-генератор) выполнен в виде магнетрона или пролетного клистрона. Корпус камеры 1 выполнен из тугоплавкого диэлектрического материала, например из керамики, кварцевого стекла или фарфора. С противоположных сторон камеры 1 установлены тугоплавкие электроды 7, например из вольфрама или графита. Одни концы электродов выведены в полость камеры 1, а другие соединены с высоковольтным разрядником (накопителем энергии) 8. СВЧ-выход генератора 6 соединен волноводом 9 с его резонатором 5. Резонатор 5 выполнен из токопроводящего материала сферической или прямоугольной формы. Высоковольтный разрядник 8 выполнен в виде индуктивного или емкостного накопителя энергии с регулируемой частотой следования модулирующих, подаваемых на генератор 6, и пачек разрядных импульсов, подаваемых на электроды 7. Разрядник 8 и генератор 6 ЭМВ образуют источник 9 накачки газового реагента камеры 1. Частота f высокочастотных электромагнитных колебаний в каждом импульсе генератора 5 и частота f разрядных импульсов разрядника 8 в пачке выбраны соответствующими одной или нескольким резонансным частотам f поглощения (JOURNAL OF RESEARCH of the National Bureau of Standards Phusises and Chemistry. Vol.67 A, 3, May-June, 1963; Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение радиоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций. - М: МГТУ ГА, 2005. 100 с) электромагнитных волн газовым реагентом, например дымовым газом (CO-реагентом и его примесями) или атмосферным воздухом, введенным в полость камеры 1 газового реактора. Объем (единицы см) внутренней полости камеры 1 газового реактора выбран из условия достаточности энергетики (единицы-десятки Дж/имп.) источника 8 накачки для резонансной активации газового реагента и исключения разрыва камеры 1 при импульсном микровзрыве заключенной в ней массы газового реагента.
Управляющий вход разрядника 7 источника 9 накачки соединен с выходом управляемого по частоте следования и длительности импульсов генератора 10. Генератор 10 выполнен в виде блокинг - генератора или широтно-импульсного модулятора с цифровым управлением. В зависимости от назначения газового реактора для энергетики или транспорта частота следования импульсов генератора 10 может регулироваться в пределах единицы Гц - единицы кГц, а длительность модулирующих импульсов (импульсов поджига газового реагента) - в пределах единицы мс-единицы мкс. Для исключения СВЧ-пробоя вне зоны реакции СВЧ-генератор 6, волновод 9 и резонатор 5 подлежат вакуумированию.
Описание в динамике.
2
2
н
o
м
o
2
2
3
-7
-3
2
Газовый реактор с СВЧ-возбуждением на газовом, например СО-реагенте работает следующим образом. Через патрубок 2 и открытый в нормальном состоянии клапан 4 в полость камеры 1 вводят дозу СО-реагента в объеме около одного см при нормальном атмосферном давлении. Подают электропитание на СВЧ-генератор 6, емкостной накопитель энергии разрядника 8 и генератор 10 управляющих импульсов. После выхода генераторов 6, 10 и накопителя энергии разрядника 8 на рабочий режим устанавливают минимальную частоту следования импульсов генератора 10 и выдают разрешение на генерацию поджигающих электрических импульсов. При этом генератор 10 вырабатывает импульсы поджига с частотой доли - единицы Гц и выдает их на сигнальный вход разрядника 8. При этом высоковольтный разрядник 8 выдает высоковольтные импульсы модуляции отрицательной полярности и длительностью τ на катод СВЧ-генератора 6. Одновременно с таким же периодом следования на электроды 7 газового реактора выдаются пачки разрядных импульсов длительностью τ и с частотой f накачки, соответствующей или кратной резонансной частоте f поглощения газового реагента. Под воздействием разности потенциалов ≥30 кВ/см между электродами 7 газового реактора 1 происходит электрический пробой газового реагента и образование стримера - трассы из носителей тока (ионов и электронов) с плотностью зарядов порядка 10 см. Одновременно СВЧ-генератор 6 под воздействием высоковольтных импульсов накачки вырабатывает пачки высокочастотных электромагнитных волн накачки (ЭМВ) с частотой f=f и с плотностью энергии не менее 1 Дж/см и передает их по волноводу 9 в резонатор 5 для электромагнитной накачки ионизированного газового реагента в камере 1. При этом за счет резонансного поглощения энергии ЭМВ и ударной ионизации происходит разрыв молекулярных и атомных связей и молекул газового реагента (например дымовых газов, в которых 97% составляет углекислый газ - СО) на составные элементы. Реакцию диссоциации газа СО под воздействием ионизирующего воздействия источника 4 накачки можно представить в следующем виде
где:
С=(Се) - нейтральный атом углерода, имеющий один электрон связи на каждый атом в углеродной цепочке топлива;
2
O=(OеO) - молекула кислорода, имеющая один электрон связи между двумя атомами молекулы;
-
-
С,О - отрицательные ионы углерода и кислорода соответственно;
+
O - положительный ион.
-
+
1
Электродинамическое взаимодействие ионов С и O вызывает реакцию горения (окисления углерода) с образованием окиси углерода и тепла Q
14
-3
Выделяющееся в результате реакции (4) малоустойчивое к «стриммерной» ионизации образование СО, выделенное тепло Q, а также резонансное воздействие на ионизированную среду энергией ЭМВ и электрического разряда источника 9 накачки способствуют развитию дальнейшего процесса ионизации и разрушению атомов и ионов кислорода с образованием дефицита их массы m. Повышение в реакторе 1 плотности носителей зарядов до 10 см приводит к инициированию «кислородной реакций»
сопровождающейся взрывным разрушением молекул кислорода, выделением свободного электрона их связи и квантовой энергии Q2 вторичного ионизирующего излучения от ультрафиолетового до мягкого рентгеновского диапазона электромагнитных волн, приводящих к лавинной ионизации газового реагента в камере 1 и к полному отрыву электронов от положительно заряженных ядер атомов кислорода и других составляющих дымовых газов. Наличие в дымовых газах небольшого процента азота, связывающего часть кислорода в реакторе 1, несколько снижает скорость реакции (5) из-за того, что молекулы азота, имея отрицательный избыточный заряд окружают часть молекул кислорода, имеющих положительный избыточный заряд, образуя агрегаты из кислорода, экранированного азотом от действия ионизирующих воздействий. Если первичное (от источника 9 накачки) и/или вторичное (результат «кислородной реакции») ионизирующее воздействие достаточно для разрушения азота, молекула которого в два раза прочнее молекулы кислорода, так как имеет не один, а два электрона связи, то азот при этом разрушается не только на атомы, но и фрагменты, представляющие другие химические элементы в азотной реакции
Освобожденные от электронных оболочек положительно заряженные ядра атомов прореагировавших газов объединяются (за счет свободы движения и возможности приближения к границе действия мощных гравитационных сил) в общее положительное ядро 11 и облако электронов 12 над объединенным ядром 11 (www.chukanovenergy.com). 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, дополнительно вызывающей мгновенный нагрев газового реагента в камере 1 и выделение энергии через патрубок 3 газового реактора преимущественно в форме кинетической энергии ударной волны при микровзрыве газового реагента. После выхода плазмы из камеры 1 в ее полости образуется вакуумное разряжение. Образование вакуума приводит к отрыванию обратного клапана 4 и забору очередной партии газового реагента через патрубок 2 в полость реактора 1. Далее импульсный режим работы газового реактора повторяется. Выходная мощность электрической энергии устройства для получения энергии из газовых отходов регулируется преимущественно частотой следования импульсов генератора 10.
Указанное полезная модель не ограничивается выше приведенным примером его осуществления. 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 могут быть дополнительно использованы катализаторы из редкоземельных элементов, устанавливаемых в подводящем (газовый реагент) патрубке 2.
Промышленная применимость. Полезная модель разработана на уровне технического предложения и физического моделирования управляемого микровзрыва газовой среды (выделения кинетической энергии) при комплексном воздействии на нее СВЧ-излучением и электрическим разрядом в изолированном от внешней среды объеме.