Способ получения тепловой энергии, извлечения электрической энергии и устройство для его реализации
METHOD FOR OBTAINING THERMAL ENERGY, EXTRACTING ELECTRICAL ENERGY AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электроэнергетике, водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии и попутно для извлечения электрической энергии. Для Российской Федерации с огромной территорией,  суровым климатом и вечной мерзлотой обладание эффективным источником тепловой энергии может сыграть ключевую роль для опережающего развития, особенно северных регионов.
Известен способ  и устройство [WO 2015/108434 A1, 23.07.2015] для получения тепловой энергии из электрической, заключающийся в том, что в составной электролитической ячейке с водным раствором электролита при подаче напряжения более 300 вольт и тока более 1 ампера на аноде, погруженном в электролит, создается плазменный разряд, обеспечивающий протекание плазмохимических реакций, приводящих к интенсивному энерговыделению и испарению воды, а функцию катода выполняет внутренняя часть электролитической ячейки. При этом выделяется тепловая энергия 10 кВт при потребляемой электрической энергии в 1,6 кВт.
Недостатками способа являются невозможность одновременного получения тепловой энергии, извлечения водорода и электроэнергии.
Известны также  способы и устройства для получения водорода, тепловой и электрической энергии [RU2554512, С1, Н01J 45/00 27.06.2015] и [RU2738744, С1, F24V 30/00, H02N 3/00, H05H 1/48, 16.12.2020], основанные на использовании плазмохимических реакций, протекающих в плазменном реакторе при взаимодействии протонов с эрозионными металлическими частицами, получаемых в результате ионизации пара воды и электрической эрозии катода при подаче высоковольтного импульсного напряжения.
В этих реакциях выделяется значительная тепловая энергия, более чем на 2 порядка превышающая тепловую энергию при химических экзотермических реакциях [Y. Iwamura et al., “Anomalous Heat Effects Induced by Metal Nano-composites and Hydrogen Gas”, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 29, 119-128, 2019]. В связи с этим это направление открывает новые перспективы для создания дешевых и безопасных источников энергии и ведущие страны мира активно работают в этой области. Так в 2020 г. стартовал проект Европейского союза CleanHME, направленный для создания чистого, безопасного, компактного и дешевого источника энергии на основе водород-металлических и плазменных систем, который может стать прорывом, как для частного, так и промышленного применения.
3
3
На экспериментальном устройстве по патенту RU2554512 достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре реактора 50 мм и длине 500 мм) 5,1 Вт/см и извлекалась электрическая энергия до 400 Вт с помощью зондов-электродов. А на устройстве по патенту RU2738744 была достигнута удельная тепловая мощность 10 Вт/см и одновременно извлекался водород до 0,1 Г/с.
Последнее техническое решение является наиболее близким по технической сущности и получаемому результату и поэтому выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства.
Способ получения тепловой энергии и электрической энергии RU2738744 включает формировании высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи высоковольтного импульсного напряжения между установленными последовательно на одной оси анодным электродом и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вращательно-вихревого потока реагента относительно оси в направлении на катод и подачу его в объем осесимметричного плазменного реактора, отвод тепла через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода.
Недостатками способа являются невозможность одновременного получения тепловой энергии, извлечения водорода и электроэнергии, относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии, недостаточный выход водорода.
Устройство для реализации этого способа RU2738744 содержит узел подачи реагента, узел подачи инертного газа, теплообменник, высоковольтный импульсный генератор электрического напряжения, подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси  электродным анодом и электродным катодом из гидридообразующего металла, формирователь вихревого потока в направлении на катод, установленный на входном конце трубы, а на выходном конце выходной патрубок, соединенный трубопроводом последовательно с установленными водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода.
Недостатками устройства также являются невозможность одновременного получения тепловой энергии, извлечение водорода и электроэнергии, относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии, недостаточный выход водорода.
Технический результат предлагаемого способа состоит в расширении области применения, повышении эффективности генерации тепловой энергии и  увеличении выхода водорода.
Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного образования путем подачи высоковольтного импульсного напряжения между установленными последовательно на одной оси анодным электродом и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, формирование вращательно-вихревого потока реагента относительно оси в направлении на катод и подачу его в объем осесимметричного плазменного реактора, отвод тепла через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимических реакций с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода, согласно изобретению, сначала под давлением вводится инертный газ между электродами в виде приосевой струи, затем подается высоковольтное импульсное напряжение на электроды и создается плазменное образование и, наконец,  в качестве реагента в реактор под давлением вводится вода, формируется ее вращательно-вихревое движение относительно оси между электродами и создается газовая полость между концами электродов путем регулирования подачи инертного газа и воды, при этом теплообменник размещают во внутреннем объеме водяного затвора, а из водяного затвора подают повторно подогретую воду в плазменный реактор в качестве реагента взамен холодной воды, при этом уровень воды в водяном затворе должен быть выше теплообменника, но ниже выходного отверстия для газовой фракции продуктов плазменного реактора.
А также газовую смесь кислорода и инертного газа, оставшуюся после газовой сепарации, осушают,  отделяют инертный газ и подают его  повторно в плазменный реактор.
Кроме того, извлекаемый водород и газовую смесь кислорода и инертного газа пропускают через водородный топливный элемент и извлекают  электроэнергию, а смесь оставшегося кислорода и инертного газа после водородного топливного элемента осушают, отделяют инертный газ и подают его повторно в плазменный реактор.
Введение инертного газа между электродами в виде приосевой струи и после этого подача  высоковольтного импульсного напряжения на электроды облегчают создание плазменного образования. Причем в среде инертного газа плазма образуется и поддерживается без воздействия постоянной токовой составляющей и при более низкой амплитуде высоковольтных импульсов, что позволяет снизить потребляемую электрическую мощность по сравнению с прототипом. Подача в реактор под давлением воды, формирование ее вращательно-вихревого движения относительно оси между электродами и создание газовой полости между концами электродов, объем которой гораздо меньше, чем внутренний объем  реактора,  создают условия для интенсификации плазмохимических реакций при взаимодействии протонов с эрозионными металлическими частицами. Поскольку тепловая энергия, выделяемая в результате протекания плазмохимических реакций, рассеивается в газовой полости, объем которой гораздо меньше, чем внутренний объем  реактора, то температура в плазменном образовании в предлагаемом способе будет гораздо выше, чем в способе, принятом за прототип, при одинаковом количестве этих реакций. А повышение температуры в плазме, в свою очередь, увеличивает концентрацию протонов и эрозию частиц гидридообразующего металла  из катода и, как следствие,  количество плазмохимических реакций, а соответственно, и тепловыделение. Кроме того, с ростом температуры повышается и скорость самих реакций и степень термической диссоциации воды, что также увеличивает тепловыделение и извлечение водорода в предлагаемом способе по сравнению с прототипом. Размещение теплообменника во внутреннем объеме водяного затвора и замена газового вихря водяным, имеющего более высокую теплоемкость, повышают теплопередачу тепловой энергии от плазменного образования к потребителю, т.е. увеличивают съем тепловой энергии по сравнению с прототипом.  Повторная подача подогретой воды из водяного затвора в плазменный реактор в качестве реагента взамен холодной воды при условии, что уровень воды в водяном затворе должен быть выше теплообменника, но ниже выходного отверстия для газовой фракции продуктов плазменного реактора, позволяет до минимума уменьшить потери воды, снизить потребляемую энергию на подогрев воды, а также создать условия для оптимального съема тепловой энергии.
Осушение газовой смеси кислорода и инертного газа, оставшейся после газовой сепарации, а также отделение инертного газа и подача его  повторно в плазменный реактор практически исключает расход инертного газа.
Пропускание через водородный топливный элемент водорода и газовой смеси кислорода и инертного газа позволяет расширить возможности предлагаемого технического решения и эффективно генерировать  электроэнергию с высоким КПД до 70%, а также произвести предварительную грубую очистку газовой смеси от кислорода. Это создает условия для повторной подачи инертного газ в плазменный реактор после прохождения осушения и окончательной очистки от кислорода, что исключает расход инертного газа.
Устройство для реализации способа, содержащее узел подачи реагента, узел подачи инертного газа, теплообменник, высоковольтный импульсный генератор электрического напряжения, подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси  электродным анодом и электродным катодом из гидридообразующего металла, формирователь вихревого потока в направлении на катод, установленный на входном конце трубы, а на выходном конце выходной патрубок, соединенный трубопроводом последовательно с установленными водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода,  согласно изобретению, узел подачи реагента соединен с формирователем вихревого потока, а узел подачи инертного газа соединен трубопроводом со сквозным осевым отверстием, выполненным  в электродном аноде,  внутренняя поверхность выходного патрубка выполнена в виде сужающегося конусного отверстия, а во внутреннем объеме водяного затвора размещены теплообменник, так чтобы уровень воды покрывал всю его наружную поверхность, и датчик уровня воды, при этом на боковой поверхности водяного затвора ниже уровня воды выполнено отверстие, которое соединено трубопроводом последовательно с насосом, имеющим блок управления, и  узлом подачи реагента, а электрический выход датчика уровня воды соединен с блоком управления насоса.
А также устройство содержит фильтр грубой очистки от кислорода, осушитель, фильтр тонкой очистки от кислорода, накопитель инертного газа, при этом выхлопной выход газового сепаратора соединен трубопроводом последовательно с фильтром грубой очистки от кислорода, осушителем, фильтром тонкой очистки от кислорода,  накопителем инертного газа и узлом подачи инертного газа.
Кроме того, устройство содержит накопитель газовой смеси кислорода и инертного газа, соединенный с выхлопным выходом газового сепаратора,  а также водородный топливный элемент, в котором водородный и воздушный входы соединены трубопроводами, соответственно, с выходом накопителя водорода и выходом накопителя газовой смеси, а выхлопной выход водородного топливного элемента соединен трубопроводом с входом осушителя.
Узел подачи реагента, соединенный с формирователем вихревого потока, узел подачи инертного газа, соединенный трубопроводом со сквозным осевым отверстием, выполненным в электродном аноде, создают условия для формирования газовой полости и замены парогазового вихря на водяной,  что в совокупности повышает генерацию тепловой энергии, выход водорода и снижает потребляемую электрическую мощность. А выполнение  внутренней поверхности выходного патрубка в виде сужающегося конусного отверстия устраняет неблагоприятное воздействие отраженного вихревого потока воды на формирование газовой полости. Размещение теплообменника во внутреннем объеме водяного затвора, так чтобы уровень воды покрывал всю его наружную поверхность, и замена парогазового вихря водяным, имеющего более высокую теплоемкость, повышают теплопередачу тепловой энергии от плазмы к потребителю, т.е. увеличивают съем тепловой энергии по сравнению с прототипом.  Выполнение отверстия на боковой поверхности водяного затвора ниже уровня воды и  соединение его трубопроводом последовательно с насосом, имеющим блок управления, и  узлом подачи реагента позволяют повторно подавать в реактор подогретую воду и тем самым до минимума уменьшить потери воды и снизить потребляемую энергию на подогрев воды. Установка уровнемера в водяном затворе и соединение его электрического выхода с блоком управления насоса обеспечивают поддержку уровня воды в водяном затворе в заданных пределах, создавая тем самым оптимальные условия для съема тепловой энергии.
Установка фильтра грубой очистки от кислорода, осушителя, фильтра тонкой очистки от кислорода, накопителя инертного газа и соединение выхлопного выхода газового сепаратора трубопроводом последовательно с ними и узлом подачи инертного газа создают условия для повторной подачи инертного газ в плазменный реактор, что практически исключает расход инертного газа.
Установка накопителя газовой смеси кислорода и инертного газа, соединенного трубопроводом с выхлопным выходом газового сепаратора, и водородного топливного элемента, в котором водородный и воздушный входы соединены трубопроводами, соответственно, с выходом накопителя водорода и выходом накопителя газовой смеси, а выхлопной выход водородного топливного элемента соединен трубопроводом с входом осушителя,  позволяет генерировать  электроэнергию с высоким КПД. Кроме того, при прохождении газовой смеси инертного газа и кислорода через водородный топливный элемент происходит поглощение кислорода, в результате чего осуществляется   предварительная грубая очистка газовой смеси от кислорода. А это создает условия для подачи ее в плазменный реактор после прохождения осушения и тонкой очистки от кислорода, что исключает расход инертного газа в водородном топливном элементе.  Поскольку топливный водородный элемент работает как фильтр грубой очистки параллельно с основным фильтром грубой очистки, то это продлевает время работы основного фильтра до его замены, что также повышает эффективность работы устройства.
На Фиг. 1 схематично показано устройство плазменного реактора, а на Фиг. 2 общая схема наиболее предпочтительного варианта технического решения.
Принятые обозначения на Фиг. 1 и Фиг. 2: 1 – входной штуцер для инертного газа; 2 – электродный анод; 3 – осевое отверстие в электродном аноде; 4 -  формирователь вихревого потока; 5 -вихревой поток; 6 - диэлектрическая труба; 7 - электродный катод; 8 - выходной патрубок; 9 - газовая полость; 10 - плазма; 11 - вход в формирователь вихревого потока; 12 - высоковольтный импульсный генератор электрического напряжения; 13 – выходное отверстие для газовой фракции; 14 - узел подачи реагента; 15 - узел подачи инертного газа; 16 - водяной затвор; 17 - теплообменник; 18 – измеритель уровня воды; 19 - бойлер; 20 - отверстие в водяном затворе; 21 - насос; 22 - газовый сепаратор; 23 - накопитель водорода; 24 - фильтр грубой очистки; 25 - осушитель; 26 -фильтр тонкой очистки; 27 - накопитель инертного газа; 28 - накопитель смеси инертного газа и кислорода; 29 - водородный топливный элемент; 30 - кран подачи водорода; 31 - кран подачи газовой смеси инертного газа и кислорода; 32 - кран на выхлопном выходе водородного топливного элемента; 33 - выключатель электрической нагрузки Rн; 34 - кран подачи холодной воды; 35 - кран подачи подогретой воды; 36 - кран подачи инертного газа; 37 - кран подачи очищенного инертного газа.
В устройстве для получения тепловой и извлечения электрической энергии в диэлектрической  трубе 6, выполненной из жаропрочного материала, например из кварца, керамики или композитных материалов, последовательно установлены на одной оси электродный анод 2, выполненный из тугоплавкого электропроводного материала (никеля, титана, молибдена и др.), и электродный катод 7 и из гидридообразующего металла (алюминия, лития, стронция и др.), к которым подключен высоковольтный импульсный генератор электрического напряжения 12. Высоковольтный источник импульсного напряжения 12 выдает высоковольтные импульсы до 2 – 3 кВ и предназначен для образования плазмы, поддержания ее горения и инициации низкоэнергетических ядерных реакций.  Вода, используемая в качестве реагента, поступает в узел подачи реагента 14, соединенный трубопроводом с входом 11 в формирователь  вихревого потока 4, который создает вихревой поток воды 5 относительно оси между электродами и по направлению к катоду 7. Инертный газ  (аргон, гелий, неон и др.) поступает в узел подачи инертного газа 15, соединенный трубопроводом с осевым отверстием 3 в электродном аноде 2 посредством штуцера 1. В результате взаимодействия вихревого потока воды 5 и инертного газа образуется газовая полость 9 между концами электродов 2 и 7. Выходной патрубок 8  соединен трубопроводом с водяным затвором 16, в котором размещены теплообменник 17 и измеритель уровня воды 18. Теплообменник 17 соединен с бойлером 19. На боковой поверхности водяного затвора 16 ниже уровня воды выполнено отверстие 20, которое соединено трубопроводом последовательно с насосом 21, имеющим блок управления (на фиг. 2 не показано), и  узлом подачи реагента 14, а электрический выход уровнемера 18 соединен с блоком управления насоса (на фиг. 2 не показано). Верхняя часть водяного затвора, где скапливается газовая фракция продуктов плазмохимических реакций, выходное отверстие 13 соединено трубопроводом с входом газового сепаратора 22,  а его выход - с накопителем водорода 23. При этом выхлопной выход газового сепаратора 22 соединен трубопроводом последовательно с фильтром грубой очистки от кислорода 24, осушителем 25, фильтром тонкой очистки от кислорода 26, накопителем инертного газа 27 и узлом подачи инертного газа 15.  Фильтр грубой очистки 24 газовой смеси инертного газа и кислорода работает, например, на принципе мембранной технологии и очищает инертный газ до 2 -3 % содержания кислорода. Осушитель 25, например, абсорбционного типа поглощает воду абсорбентом (силикагель,  цеолит и др.). Фильтр тонкой очистки 26, работает, например, на принципе химического связывания кислорода в присутствии катализаторов и очищает до 0,01 % содержания кислорода. Вход накопителя газовой смеси кислорода и инертного газа 28 соединен с выхлопным выходом газового сепаратора 22.  Для получения электроэнергии установлен водородный топливный элемент 29, в котором водородный и воздушный входы соединены трубопроводами, соответственно, с выходом накопителя водорода 23 и выходом накопителя газовой смеси 28, а выхлопной выход водородного топливного элемента соединен трубопроводом с входом осушителя 25. Накопители водорода 23, инертного газа 27 и смеси инертного газа и кислорода 28 оснащены компрессорами (на фиг. 2 не показано), которые заполняют их соответствующими газами до необходимого давления.
Рассмотрим работу устройства на частном примере, где труба 5 выполнена из кварцевого стекла и имеет следующие размеры: длина 200 мм, внутренний диаметр 25 мм, расстояние между электродами 2 и 7 составляет около 30 мм.
0
0
Открывается кран 36 и подается инертный газ в узел подачи инертного газа 15, где задаются расход и давление подачи, и инертный газ под давлением до 2 бар поступает через осевое отверстие 3  в пространство между электродами 2 и 7 в виде приосевой струи. После этого подается высоковольтное импульсное напряжение с амплитудой 2 – 3 кВ на электроды 2 и 7 и образуется плазма 10.  Причем в среде инертного газа   плазма образуется и поддерживается без воздействия постоянной токовой составляющей и при более низкой амплитуде высоковольтных импульсов, чем в известном техническом решении. Затем открывается кран 35 и подается вода в узел подачи реагентов 14, где задается расход и давление подачи, и вода под давлением до 10 бар поступает в формирователь вихревого потока 3, который создает вихревой поток воды 4 относительно оси между электродами и по направлению к катоду 7. В результате взаимодействия вихревого потока воды и струи инертного газа образуется газовая полость 9. После этого система прогревается и выходит на режим устойчивой работы, который характеризуется стабильностью горения плазмы. При этом температура в плазменном канале повышается и достигает 4000 – 5000 С. При такой высокой локальной температуре и сильной ионизации под воздействием импульсного электрического поля в газовой полости образуется большое количество водяного пара, молекулы которого диссоциируют вплоть до ионов водорода (Н+), гидроксила (ОН-) и кислорода (О-). Кроме того, вследствие высокой температуры (выше температуры плавления) происходит активная эрозия катода 7 с образованием   кластеров  наночастиц гидридообразующего металла над поверхностью катода. Это приводит  к инициации плазмохимических реакций с выделением тепловой энергии. Поскольку эта тепловая энергия рассеивается в газовой полости, объем которой гораздо меньше, чем внутренний объем  реактора, то температура в плазме в предлагаемом способе повышается гораздо выше, чем в способе, принятом за прототип, до 8000 – 10000 С  при одинаковом количестве плазмохимических реакций. А повышение температуры, в свою очередь, увеличивает концентрацию протонов и эрозию частиц гидридообразующего металла  из катода и, как следствие,  количество плазмохимических реакций, а соответственно, и тепловыделение. Кроме того, с ростом температуры повышается и скорость самих плазмохимических реакций и степень термической диссоциации воды, что также увеличивает тепловыделение и извлечение водорода в предлагаемом способе по сравнению с прототипом.
Тепловая энергия, выделяемая в плазменном образовании, передается вихревому потоку воды, которая нагревается до температуры 80 – 100°С, и поступает в водяной затвор 16 и снимается в теплообменнике 17 посредством теплоносителя и идет на нагревание бойлера 19. При достижении уровня воды в водяном затворе до максимального значения ниже выходного отверстия 13 для газовой фракции продуктов плазменного реактора с датчика уровня 18, передается сигнал на блок управления,  открывается кран 35, закрывается кран 34 и включается насос 21, подающий подогретую воду в узел подачи реагента 14.  При снижении уровня воды в водяном затворе до минимального значения выше теплообменника срабатывает блок управления,  открывается кран 34, закрывается кран 35 и отключается насос 21.
Образовавшиеся продукты плазмохимических реакций: твердые частицы и газы (водород, кислород и инертный газ), захватываются вихревым потоком 4 и выводятся  под действием избыточного давления внутри диэлектрической трубы 5 через выходной патрубок 8 в водяной затвор 16, где твердые продукты оседают на дно, а газовые – подаются на газовый сепаратор 22 для отделения водорода и подачи его в водородный накопитель 23. При этом оставшаяся газовая смесь инертного газа и кислорода поступает в накопитель газовой смеси 28 и фильтр грубой очистки 24, где очищается до 2 -3% содержания кислорода. Далее смесь осушается в осушителе 25, проходит дальнейшую очистку от кислорода в фильтре тонкой очистки 26 и поступает в накопитель инертного газа 27.
При необходимости потребления электроэнергии открываются кран подачи водорода 30, кран подачи смеси инертного газа и кислорода, кран на выхлопном выходе 32 водородного топливного элемента 29  и соединяется выключатель 33 электрической нагрузки Rн. В процессе работы водородного топливного элемента 29 в каталитическом слое анода водород ионизируется и через протонообменную мембрану переносится от анода к катоду, а электроны поступают во внешнюю электрическую цепь, вызывая в ней электрический ток. На катоде протоны рекомбинируют с электронами и кислородом из газовой смеси аргона и кислорода. В результате образуется вода и очищается газовая смесь до  1 - 3% содержания кислорода. Поэтому газовая смесь  из выхлопного выхода водородного топливного элемента 29 поступает непосредственно в осушитель 25, минуя фильтр грубой очистки 24, и далее в фильтр тонкой очистки 26 и накопитель инертного газа 27.
После наполнения накопителя инертного газа 27 до необходимого давления закрывается кран 36 и открывается кран 37, при этом устройство переходит на закольцованную подачу инертного газа.
Проведенные исследования на экспериментальной установке позволяют сопоставить результаты применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства.
3
Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ, достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 250 мм) 10 Вт/см. Одновременно с получением тепловой энергии извлекался водород до 0,1 г/с.
3
На предложенной авторами экспериментальной установке достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 25 мм и длине 200 мм) 60 Вт/см, что в 6 раз выше, чем в прототипе. Одновременно с получением тепловой энергии извлекался водород до 0,4 г/с  - в 4 раза выше и электроэнергия до 2000 Вт.
Таким образом, предложенный способ и устройство расширяют область применения в части генерации электроэнергии и значительно повышают эффективность получения тепловой энергии и водорода по сравнению с прототипом.