Устройство для преобразования энергии

Устройство для преобразования энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Устройство для преобразования энергии относится к области энергетического машиностроения и может быть использовано при создании устройств для преобразования одного вида энергии в другой путем электролиза.

Известно устройство для преобразования механической и тепловой энергий в электрическую и химическую энергии путем разложения воды электролизом раствора электролита и получения при этом водорода, кислорода, электроэнергии и холода [1]. Устройство снабжено теплообменником, подведенным внутрь емкости, электроды или коротко замкнуты между собой, или соединены в контур через потребитель электроэнергии. Емкость установлена на горизонтальном валу с возможностью обеспечения расчетной угловой скорости ее вращения. Устройство также имеет каналы для подвода начальных и отвода конечных продуктов электролиза.

Недостатком известного устройства является вращение емкости с электролитом до больших скоростей, сложная конструкция электродов, наличие множества уплотнений и узлов креплений как на корпусе, так и внутри емкости, а также малый теплообмен с окружающей средой и нахождение теплообменника внутри вращающейся емкости. Получению требуемого технического результата в данном устройстве препятствует сложность крепления на валу или на раме вращающейся емкости с электролитом, а также сложность конструкции электродов, большие затраты на создание механической энергии для вращения емкости устройства и низкая теплообменная способность известного устройства с окружающей средой.

Кроме того, данное устройство не позволяет получать водород и кислород до достижения пороговой частоты вращения, а электроды и теплообменник при вращении на больших оборотах емкости выходят из строя. Получение тепловой энергии только через трубчатый теплообменник или через гладкую наружную поверхность емкости не достаточно для увеличения энтальпии раствора, компенсирования постоянного снижения температуры раствора, т.е. восполнять теплопотери.

Известно также «Устройство для преобразования энергии», где внутренняя поверхность имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность выполнена ребристой, емкость установлена на вертикальном валу с возможностью подачи в основание емкости нагретой воды, одним электродом является емкость, а другой постоянно находится в контакте с водным раствором электролита, имеет системы подачи воды и отвода продуктов электролиза, отвод продуктов электролиза и емкость изолированы друг от друга и от окружающей среды с помощью воздушного затвора [2].

Недостатком известного устройства является значительная сложность конструкции корпуса емкости, предусматривающаяся вращение емкости с водным раствором электролита, где требуется большая затрата энергии для преодоления трения, а также трудности, связанные при отводе продуктов электролиза из емкости при наличии воздушного затвора.

Целью изобретения являются упрощение конструкции устройства для преобразования энергии за счет вращения водного раствора электролита, находящегося внутри неподвижной емкости под действием электрического и электромагнитных полей, повышения КПД электролизера, улучшение эксплуатационных характеристик устройства как в транспортных средствах, так и в стационаре. К техническим результатам, получаемым от реализации данного изобретения, можно отнести повышение эффективности электролиза за счет вращения электролита внутри неподвижной емкости под действием электрического и электромагнитных полей и утилизацию тепла любого природного или техногенного происхождения, получение наряду с кислородом водорода и электрической энергии.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что устройство для преобразования энергии путем электролиза, содержащее неподвижную емкость 2, установленную вместо ротора внутри асинхронного трехфазного электродвигателя над спиральной катушкой и выполненную с возможностью вращения водного раствора электролита под действием электрического и электромагнитных полей, имеющих электроды, подсоединенные к выпрямителю, а также каналы подвода водного раствора электролита и воды 9 в емкость 2 и отвода продуктов электролиза 8 и 9. Согласно изобретению внутренняя часть емкости 2 выполнена в виде усеченного конуса 7, а наружная поверхность 6 - ребристая для улучшения теплообмена внутри емкости 2 за счет увеличения количества отбираемого тепла из окружающей среды. Емкость выполнена с возможностью подачи в ее основание умягченной деаэрированной нагретой до 90°С воды.

Устройство содержит неподвижную, вертикально установленную на спиральной катушке емкость 2 вместо ротора асинхронного двигателя с возможностью вращения находящегося внутри емкости водного раствора электролита 3, который вращается под действием электрического и электромагнитных полей. Емкость крепится по принципу крепления обычного ротора в асинхронном электродвигателе. Устройство имеет электроды 4 и 5, подсоединенные к выпрямителю, один из которых 4 имеет положительный заряд и вертикально перемещается для постоянного контакта с водным раствором электролита, а другим электродом является корпус емкости 2 с отрицательным зарядом, не подсоединенный к выпрямителю. Кольцо отрицательного электрода 10, подключенное к выпрямителю до достижения порогового значения частоты вращения, при достижении порогового значения частоты вращения оно отключается.

Различные конструктивные решения данного устройства предполагают различные варианты его теплообменника. Функции теплообменника в устройстве выполняет постоянно пополняемая нагретая до 90°С умягченная вода, ребристая наружная поверхность 6 корпуса емкости 2, которая отбирает тепло из окружающей среды, и внутренняя конусная часть 7 емкости 2.

Внутренняя часть емкости выполнена таким образом, чтобы водный раствор электролита частично циркулировал и выполнял функцию внутреннего теплообменника в конусной части. Конструктивно электроды 5 и 4 выполнены так, чтобы их можно было подключить к выпрямителю, тем самым водород и кислород можно получать даже при малых скоростях вращения водного раствора электролита.

Известно, что энергия связи водорода и кислорода составляет 25000 кДж/моль, а суммарные энергии электромагнитных полей, создаваемые статором асинхронного двигателя, спиральной катушкой и электрическим полем, приводящие во вращательное движение водного раствора электролита, достаточны для разложения воды на водород и кислород.

Следует отметить, что эксплуатация устройства с вращающейся емкостью с водным раствором электролита (по прототипу) очень затруднена как в стационарном варианте выполнения, так и в движущемся транспорте. Поэтому предлагаемое устройство в эксплуатации намного надежнее, чем известные, так как вращается только водный раствор электролита внутри неподвижной емкости.

Устройство для преобразования энергии (Фиг.1) функционирует следующим образом. В емкость 2, установленную неподвижно на спиральной катушке 1, вместо ротора внутри статора 10 асинхронного электродвигателя через канал 9 подают заранее подготовленный водный раствор электролита необходимого объема. Емкость выполнена с возможностью подачи через канал 9 в ее основание умягченной деаэрированной нагретой до 90°С воды. При этом уровень водного раствора электролита перекрывает 1/3 часть длины усеченного конуса 7, а конец вертикально перемещающегося электрода 4 и второй электрод 2 (корпус емкости) всегда находится в контакте с электролитом.

В электрическую цепь включают катушки статора, спиральную катушку и электроды 4 и 5 для создания электрического поля. Под действием электромагнитных и электрических полей водный раствор электролита приводится во вращательное движение. При достижении пороговой частоты вращения и под действием энергий электромагнитного и электрического полей происходит разрушение воды на водород и кислород за счет вырабатываемой электрической энергии внутри емкости устройства при разделении отрицательных тяжелых и положительных ионов. При поддержке тока наружным источником величину пороговой скорости вращения водного раствора электролита можно существенно уменьшить. Расход воды за счет разложения на водород и кислород в устройстве восполняется дозированным поступлением умягченной горячей воды по каналу ввода 9.

В процессе работы данного устройства под действием центробежной силы в емкости 2, в которой катионы и анионы находятся в виде гидратов, имеющих существенно разную собственную массу, разделяются. Тяжелые ионы с отрицательным зарядом собираются на внутренней поверхности емкости 2, образуя зону с повышенной концентрацией одноименных ионов, образуя зону с отрицательным пространственным электрическим зарядом, который индуцирует на внешней поверхности емкости адекватный заряд из электронов проводимости. Легкие же ионы концентрируются в области между указанным пространственным зарядом и электродом 4, образуя свой пространственный положительный заряд. По мере возрастания напряженности электрического поля между катионами и поверхностью катода, достаточного для создания электрического поля, способного разрушить гидратные оболочки легких ионов, ионы приближаются к поверхности электрода 4 и разряжаются. Тяжелые ионы, прижатые центробежной силой к поверхности другого электрода 2, тоже отдадут свой заряд электроду и между ними по короткозамкнутому проводнику потечет постоянный электрический ток. При этом на кольцевом электроде протекают такие же реакции и он замкнут с другим электродом через водный раствор электролита. Ионы водного раствора электролита восстановятся, образуя водород и кислород, а промежуточные продукты электролиза вступят во вторичные реакции с доливаемой водой.

Восстановленный водород и кислород из емкости удаляются через каналы для отвода 8 и 9.

На Фиг.2. - 10 - обмотка статора и кольцо отрицательного электрода, 2 - корпус неподвижной емкости.

Производительность заявленного устройства по водороду регулируется изменением частоты вращения водного раствора электролита, регулируя как величину омического сопротивления внешней электрической нагрузки потребителя, так и величину электромагнитных полей, создаваемых спиральной катушкой и статором трехфазного асинхронного двигателя. В этом отношении устройство существенно отличается от известных преобразователей. Так как процесс разложения воды на кислород и водород сопровождается уменьшением энтальпии водного раствора электролита, в результате чего температура водного раствора электролита постоянно снижается, и если не восполнять теплопотери, то водный раствор электролита замерзнет и процесс прекратится. Электрод 4 устройства закреплен через уплотнитель и стеклянную рубашку на крышке емкости и его можно переместить вертикально, чтобы нижний конец постоянно находился в контакте с водным раствором электролита. Устройство позволяет отдельно собирать кислород.

Общий КПД предлагаемого устройства больше чем КПД прототипа за счет большего поглощения тепла из окружающей среды и сокращения расхода электроэнергии по сравнению с устройством, где емкость вращается с водным раствором электролита и в среднем составляет 0,90.

Устройство для преобразования энергии в отличие от прототипа можно использовать как в двигателях внутреннего сгорания (ДВС), так и в стационарном режиме. Полученный водород собирается в газгольдерах или подается в накопители для дальнейшего использования, а кислород подается на станцию очистки и приготовления кислорода или используется в ДВС. Таким образом имеет место устройство, работающее как в стационаре, так и в ДВС с большим КПД для преобразования энергии электромагнитных и электрических полей и тепловой энергии из окружающей среды в электрическую и химическую энергию.

Литература

1. Устройство для преобразования энергии. Кудымов Г.И., Студенников В.В. Аналог - Патент РФ №2174162, С25В 9/00, 1/02, F02M 21/02, 1998 г.

2. Устройство для преобразования энергии. Батырмурзаев Ш.Д., Османов С.Г., Беламерзаев Н.М., Власов B.C. Прототип - Патент РФ по заявке №2006145262/15(049411), 19.12.2006.

Устройство для преобразования энергии путем электролиза, содержащее емкость, заполненную водным раствором электролита, а также каналы подвода воды и водного раствора электролита в емкость и отвода продуктов электролиза из емкости, причем внутренняя поверхность емкости имеет вид усеченного конуса, наружная поверхность емкости выполнена ребристой, емкость выполнена с возможностью подачи в ее основание нагретой до 90°С воды, отличающееся тем, что емкость является неподвижной и установлена вертикально внутри статора асинхронного трехфазного электродвигателя над спиральной катушкой, установленной в основании неподвижной емкости, устройство выполнено с возможностью вращения водного раствора электролита электрическим и электромагнитным полями, создаваемыми статором асинхронного трехфазного электродвигателя и спиральной катушкой, электродами являются корпус емкости, кольцо внутри емкости и электрод, закрепленный на крышке емкости, постоянно находящийся в контакте с водным раствором электролита и опущенный в середину водного раствора электролита с возможностью вертикального перемещения, причем два последних электрода присоединены к выпрямителю, а статор асинхронного двигателя и спиральная катушка подключены автономно в трехфазную сеть.