Устройство для генерации шаровой молнии

Устройство для генерации шаровой молнии

Реферат

Изобретение относится к области электротехники, конкретно к плазменным источникам электрической энергии, использующим воду и/или дымовые (СО₂ - 80%) газы в качестве рабочего вещества.

Известно [1, 2], что вода и дымовые газы являются высококонцентрированными источниками энергии. Так 1 литр воды Н₂O содержит около 1800 литров водорода с удельной теплотой сгорания Q=10,78 кДж/л (1.21·10⁸ Дж/кг). Для сравнения [2] удельная теплота сгорания торфа составляет 8.1·10⁶ Дж/кг, бытового газа - 13.25·10⁶ Дж/кг, бензина - 44·10⁶ Дж/кг, ядерного топлива 824·10¹¹ Дж/кг. Чем больше удельная теплота сгорания топлива, тем меньше удельный расход топлива, меньше габариты камеры сгорания источника электрической энергии и его габариты в целом при той же величине коэффициента полезного действия (КПД) источника энергии. Разрыв молекулярных связей водорода и кислорода в воде, разложение (катализ) ее на горючие составляющие требуют существенных энергетических затрат. Однако применение химических, электролитических, электроразрядных, фото, СВЧ-катализаторов и их комбинаций позволяют снизить [3÷10, 19] затраты на диссоциацию воды до приемлемых значений и, следовательно, синтезировать из воды топливо, существенно превышающее по теплотворной способности существующие виды углеводородного топлива для тепловых электростанций (ТЭС). Аналогично дымовые газы при СВЧ-катализе могут быть разложены на горючие составляющие, включая оксид углерода и кислород.

Хотя удельная теплота (60 кДж/мол), выделяемая при химической реакции горения составляющих дымовых газов существенно ниже удельной теплоты (532 кДж/мол) сгорания составляющих воды, использование дымовых газов для получения электрической энергии представляет определенный интерес. Это связано с повышенной ионизационной способностью СО₂-газов (меньшими затратами СВЧ-энергии на катализ) и возможности дополнительного получения электрической энергии непосредственно на ТЭС за счет энергетически выгодной утилизации ее дымовых газов, вредных для окружающей среды.

Известны источники электрической энергии [11÷19], использующие пары воды и дымовые газы в качестве рабочего вещества и основанные на импульсном СВЧ-катализе (резонансном разложении) рабочего вещества на горючие составляющие с последующим преобразованием их энергии в химической реакции горения в тепловую энергию и затем - тепловой энергии в электрическую энергию через электродинамическое [11÷15] или электромеханическое [8÷10, 15÷19] преобразование.

Недостатком известных источников электрической энергии является сложность конструкции.

Известны источники электрической энергии [8÷10], основанные на непрерывном СВЧ-преобразовании тепловой энергии рабочего вещества в энергию плазмы тлеющего разряда, именуемые далее генераторы шаровой молнии.

Известен генератор шаровой молнии [9], включающий электроразрядную камеру активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, содержащее высоковольтный накопитель электрической энергии с электродами для электродугового пробоя рабочего вещества и стабилизатор плазмы в рабочей камере, причем стабилизатор плазмы выполнен в виде генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод.

Недостатком известного генератора шаровой молнии является относительно невысокий ресурс непрерывной работы (доли - единицы часов), связанный с недостаточной прочностью (хрупкостью) кварцевой камеры и необходимостью частой замены в ней сгоревших электродов.

Наиболее близким из известных [8÷40] по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению является генератор шаровой молнии [11], включающий электроразрядную камеру активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, содержащее высоковольтный накопитель электрической энергии с электродами для электродугового пробоя рабочего вещества и стабилизатор плазмы в рабочей камере, причем стабилизатор плазмы выполнен в виде генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит токосъемные электроды и реверсивный механизм, корпус электроразрядной камеры выполнен металлическим, положительный электрод высоковольтного накопителя электрической энергии выполнен тугоплавким, установлен подвижно в термостойкой диэлектрической втулке, закрепленной в металлическом корпусе рабочей камеры, кинематически соединен с реверсивным механизмом и электрически - с одним из токосъемных электродов, другой из которых соединен с металлическим корпусом рабочей камеры, электрически соединенной с отрицательным электродом накопителя электрической энергии. При этом тугоплавкий электрод выполнен на основе вольфрама и/или графита, а термостойкая диэлектрическая втулка - из фарфора и/или керамики.

Недостатком этого генератора шаровой молнии также является относительно невысокий ресурс непрерывной работы (единицы и десятки часов), связанный с испарением подвижного тугоплавкого электрода, приводит к необходимости частой замены сгоревших электродов. Кроме того, испаряющийся материал тугоплавкого электрода оседает на стенках электроразрядной камеры, термостойкой диэлектрической втулке, что приводит к необходимости периодической промежуточной остановке генератора для чистки камеры и изоляторов. Это существенно снижает эффективность процесса генерации энергии.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является разработка конструкции устройства для генерации шаровой молнии повысить ресурс работы генератора шаровой молнии за счет исключения испарения тугоплавкого электрода и таким образом существенно повысить эффективность процесса генерации энергии.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что в устройстве для генерации шаровой молнии, включающем электроразрядную камеру активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, содержащее высоковольтный накопитель электрической энергии с электродами для электродугового пробоя рабочего вещества, стабилизатор плазмы в рабочей камере, стабилизатор плазмы, выполненный в виде генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод, токосъемные электроды, при этом корпус электроразрядной камеры выполнен металлическим, положительный электрод высоковольтного накопителя электрической энергии выполнен тугоплавким, установлен в термостойкой диэлектрической втулке, закрепленной в металлическом корпусе рабочей камеры и электрически соединен с одним из токосъемных электродов, другой из которых соединен с металлическим корпусом рабочей камеры, электрически соединенной с отрицательным электродом накопителя электрической энергии, согласно изобретению положительный электрод высоковольтного накопителя закреплен неподвижно в термостойкой диэлектрической втулке и выполнен в виде трубы, один конец которой заглушен тугоплавкой насадкой, а другой - жестко закреплен в металлической насадке, при этом полость трубы разделена на две половинки металлической перегородкой, один конец которой закреплен в металлической насадке, а между вторым концом металлической перегородки и тугоплавкой насадкой имеется зазор с возможностью перетекания жидкости из одной половинки полости трубы во вторую ее полость, в металлической насадке имеется два проникающих в полости трубы отверстия, первое из которых выполнено с возможностью протока жидкости в первую половинку полости трубы, а второе - с возможностью стока жидкости из второй половинки полости трубы.

При этом устройство снабжено насосом и резервуаром, выполненным с возможностью заполнения его жидкостью, а вход насоса соединен с выходом резервуаром, выход которого соединен с первым отверстием в металлической насадке, второе отверстие которой соединено с входом резервуара.

Выполнение тугоплавкого электрода охлаждаемым проточной жидкостью позволяет увеличить ресурс (время безотказной работы) непрерывной работы устройства не менее чем до 1000 часов, увеличить надежность и эффективность работы устройства за счет повышенной термоустойчивости указанных элементов, а также упростить конструкцию предлагаемого устройства вследствие отсутствия в ней реверсивного механизма перемещения тугоплавкого электрода в процессе работы устройства.

На фигуре 1 представлен вариант реализации генератора шаровой молнии на паровоздушной рабочей смеси воды и жидкого химического катализатора с охлаждаемым тугоплавким электродом.

Устройство для генерации шаровой молнии содержит электроразрядную камеру 1 активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, включающее высоковольтный накопитель 2 электрической энергии и стабилизатор 3 плазмы в рабочей камере 1. Камера 1 снабжена термостойкой диэлектрической втулкой 4, доходящей до центральной части камеры 1. В диэлектрической втулке 4 неподвижно установлен электроразрядный электрод 5. Электрод 5 соединен электрически с токосъемным положительным электродом (выходной шиной) 6 непосредственно и через электронный коммутатор 7 - с положительным полюсом накопителя 2. Отрицательный полюс накопителя 2 выполнен заземленным и электрически соединен с металлическим корпусом 8 рабочей камеры 1 и с токосъемным электродом (отрицательной выходной шиной) 9. Электрод 5 выполнен тугоплавким на основе вольфрама и/или графита, а термостойкая диэлектрическая втулка 4 для него - из фарфора и/или керамики.

Положительный электрод 5 высоковольтного накопителя закреплен неподвижно в термостойкой диэлектрической втулке 4 и выполнен в виде трубы 10, один конец которой заглушен тугоплавкой насадкой 11, а другой - жестко закреплен в металлической насадке 12. При этом полость трубы разделена на две половинки (см. фиг. 1) металлической перегородкой 13, один конец которой закреплен в металлической насадке, а между вторым концом металлической перегородки 13 и тугоплавкой насадкой 11 имеется зазор 14 с возможностью перетекания жидкости из одной половинки полости трубы во вторую ее полость. В металлической насадке 12 имеется два проникающих в полости трубы отверстия 15, 16, первое 15 из которых выполнено с возможностью протока жидкости в первую половинку полости трубы 5, а второе 16 - с возможностью стока жидкости из второй половинки полости трубы. Приток воды в отверстие 15 осуществляется через штуцер 17, сток - из отверстия 16 через штуцер 18. Подача воды в штуцер 17 осуществляется из резервуара 19 с помощью насоса 20 по водоводу 21, сток в резервуар 19 - по водоводу 22.

Электрод 5 и металлический корпус 9 камеры 1 образуют электроразрядные электроды накопителя 2 для электродугового пробоя рабочего вещества в камере 1 и образования в ней плазмы тлеющего разряда, а также для съема электрической энергии с шаровой молнии - разноименных стабилизированных зарядов центральной и периферийной областей плазмы. Для подачи рабочего вещества и вывода отработанного вещества камера 1 снабжена входной 24 и выходной 23 запорной арматурой, далее вентили 24 и 23. Вентиль 24 через карбюратор 25 соединен с воздушной средой, емкостью 26 для воды и емкостью 26' для жидкого катализатора, например щелочи и/или спирта. Карбюратор 25 снабжен воздушным насосом и органами автоматического регулирования качества и количества рабочей смеси. Выход вентиля 23 соединен с выхлопной трубой 27. Вентили 23 и 24, карбюратор 25, электронный коммутатор 7 и стабилизатор 3 плазмы выполнены с цифровым управлением и соединены по сигнальным и управляющим входам с блоком 28 управления. Блок 28 включает пульт 29 управления и блок 30 цифроаналоговых (ЦАП) и аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Пульт 29 управления выполнен в виде микроЭВМ, оснащенной дисплеем с сенсорной панелью управления и перепрограммируемым блоком памяти, снабженным программой инициализации шаровой молнии тлеющего режима, разделения электрических зарядов в образованном шаре плазмы и стабилизации режима тлеющегося разряда плазмы электромагнитным излучением. Стабилизатор 3 плазмы выполнен в виде управляемого по мощности генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод. При этом генератор ЭМВ выполнен с длиной волны, равной или кратной длинам Фраунгоферовых линий поглощения излучений рабочим веществом в сантиметровом, миллиметровом и/или жестком ультрафиолетовом диапазоне ЭМВ. Для управления стабилизацией плазмы в камере 1 управляющий вход стабилизатора 3 через блок управления 28 соединен с выходами оптического датчика 31 и датчика 32 давления, закрепленных в соответствующих отверстиях корпуса 8 камеры 1. Для управления и контроля за температурой тугоплавкого электрода 5 в штуцере 18 размещен датчик 33 температуры на выходе воды из электрода 5. Датчик 33 соединен с блоком 28, выход которого соединен с входом насоса 20.

Устройство для генерации шаровой молнии работает следующим образом.

По заданной программе инициализации шаровой молнии (сгустка плазмы шаровой формы) блок 28 управления контролирует температуру воды, выходящей из электрода 5. При температуре, соответствующей норме, блок 28 управления включает насос 20, осуществляя таким образом проток воды через электрод 5 и его охлаждение, а затем переводит карбюратор 25 в режим «обогащение рабочей смеси», открывает вентиль 24 и закрывает вентиль 23 электроразрядной камеры 1. При этом в карбюраторе 25 формируется парогазовая смесь рабочего вещества, содержащего электролит «спирт и вода» в соотношении 40:60, с повышенной ионизационной способностью. Далее сформированное рабочее вещество поступает в камеру 1 и закрывается вентиль 24. После заполнения камеры 1 рабочим веществом с блока 28 на управляющий вход электронного коммутатора 7 подается сигнал на инициализацию рабочего вещества. При этом с накопителя 2 электрической энергии или с отдельной динамо-машины (не показано) через шины 6 и 9 на электрод 5 и корпус 8 камеры 1 подается разность потенциалов, достаточная для электрического пробоя и электродуговой инициализации рабочего вещества в камере 1. Под действием электродугового разряда в камере 1 рабочее вещество ионизируется и в условиях изоляции от внешней воздушной среды (пониженная релаксация) образуется долгоживущая плазма тлеющегося разряда. Данные о параметрах плазмы по яркости свечения и давлению в камере 1 снимаются с соответствующих датчиков 31 и 32 и используются блоком 28 для стабилизации плазмы путем управления качеством рабочей смеси в карбюраторе 25, управления мощностью излучения генератора ЭМВ стабилизатора 3, временными режимами работы вентилей 24 и 23 соответственно подачи рабочей смеси и сброса отработанного вещества. Одновременно для исключения разрыва камеры 1 блок 28 управления контролирует (по данным скорости измерения показаний датчика давления 32) броски давления, превышающие допустимый предел прочности стенок 8 камеры 1, и с помощью вентиля 23 производит сброс излишков давления в камере 1, а также контролирует температуру воды, выходящей из электрода 5.

При выходе генератора шаровой молнии в рабочий режим с центральной (область положительных зарядов) и периферийной (область отрицательных зарядов) части камеры 1 снимают с электродов 5 и 8 постоянную разность потенциалов и передают ее на выходные шины 6 и 9.

Одновременно блок 28 управления с помощью электронного коммутатора 7 подключает параллельно выходным шинам 6 и 9 накопитель 2 электрической энергии. Накопитель 2 сохраняет и стабилизирует выходное напряжение на шинах 6 и 9 потребителя электрической энергии при текущем обновлении рабочего вещества по мере его расхода. При случайном затухании шаровой молнии в камере 1 накопитель 2 автоматически используется для повторного запуска генератора шаровой молнии.

В процессе работы блок 28 управления постоянно контролирует температуру воды, выходящей из электрода 5, и в случае выхода ее за верхний предел заданного диапазона либо дает сигнал насосу 20 на увеличение скорости подачи воды или останавливает процесс генерации энергии.

Источники информации

1. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, т.5, с. 81.

2. Енохович А.С. Краткий справочник по физике. М.: Высшая школа, 1969, с. 74-75.

3. Основные результаты научных исследований института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН за 2011, г. Новосибирск. Каталитический бюллетень. №1 (67), 2012.

4. Ostwald W. Elektrochtmie. Ihre Geschichte und Lere, Lpz., 1898.

5. В.Д. Русанов, А.И. Бабарицкий, М.Б. Бибиков, Е.Н. Герасимов, В.К. Животов. А.А. Книжник, Б.В. Потапкин, Р.В. Смирнов. Свойства каталитически активного импульсного микроволнового разряда атмосферного давления», ДАН, 2001, т.377, №6.

6. А.И. Бабарицкий, Е.Н. Герасимов, С.А. Демкин, В.К. Животов, А.А. Книжник, Б.В. Потапкин. В.Д. Русанов, Е.И. Рязанцев, Р.В. Смирнов, Г.В. Шолин. Импульсно-периодический СВЧ-разряд как катализатор химической реакции. ЖТФ, 2000, т. 70, в. 11, с. 36-41.

7. Стратегия развития фотокатализаторов в диапазоне видимого света для разложения воды. Akihiko Kudo, Hideki Katol and Issei Tsuji Chemistry Letters Vol.33 (2004), No. 12 p.1534.

8. CHUKANOV KIRIL B, QFE-генераторы, www.chukanovenergy.com.

9. CHUKANOV KIRIL B, Methods and systems for generating high energy photons or quantum energy. US 6936971, 2003-05-22.

10. CHUKANOV KIRIL B. Transition of a substance to a new state through use of energizer such as RF energy. US 5537009, 1996-07-16.

11. ГЕНЕРАТОР ШАРОВОЙ МОЛНИИ, RU №132664, ΜΠΚ H05H 1/24.

12. ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР, RU 2408418, 10.01.2011.

13. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ. RU 116973. 10.06.2012.

14. ГАЗОВЫЙ РЕАКТОР С СВЧ-ВОЗБУЖДЕНИЕМ. RU 91498, 10.02.2010.

15. Устройство для утилизации дымовых газов. WO 2010123391, 20.04.2009.

16. ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ, RU 2011127270. 10.01.2013.

17. Двигатель внутреннего сгорания. WO 2011005135, F02P 23/00, F02M 27/00, F02B 51/00, Н05Н 1/46, 28.10.2010.

18. Гибридный автомобиль. RU 2011119709, B60W 20/00, 27.11.2012

19. Малоразмерный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф. RU 105884, В64С 39/02, 27.06.2011.

20. Двигатель внутреннего сгорания. RU 2261342, F02B 43/10, F02P 15/00, 27.09.2005.

1. Устройство для генерации шаровой молнии, включающее электроразрядную камеру активации рабочего вещества и устройство активации рабочего вещества, содержащее высоковольтный накопитель электрической энергии с электродами для электродугового пробоя рабочего вещества, стабилизатор плазмы в рабочей камере, стабилизатор плазмы, выполненный в виде генератора электромагнитных волн (ЭМВ), соединенного с рабочей камерой через соответствующий волновод, токосъемные электроды, при этом корпус электроразрядной камеры выполнен металлическим, положительный электрод высоковольтного накопителя электрической энергии выполнен тугоплавким, установлен в термостойкой диэлектрической втулке, закрепленной в металлическом корпусе рабочей камеры и электрически соединен с одним из токосъемных электродов, другой из которых соединен с металлическим корпусом рабочей камеры, электрически соединенной с отрицательным электродом накопителя электрической энергии, отличающееся тем, что положительный электрод высоковольтного накопителя закреплен неподвижно в термостойкой диэлектрической втулке и выполнен в виде трубы, один конец которой заглушен тугоплавкой насадкой, а другой - жестко закреплен в металлической насадке, при этом полость трубы разделена на две половинки металлической перегородкой, один конец которой закреплен в металлической насадке, а между вторым концом металлической перегородки и тугоплавкой насадкой имеется зазор с возможностью перетекания жидкости из одной половинки полости трубы во вторую ее полость, в металлической насадке имеется два проникающих в полости трубы отверстия, первое из которых выполнено с возможностью протока жидкости в первую половинку полости трубы, а второе - с возможностью стока жидкости из второй половинки полости трубы.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, он снабжен насосом и резервуаром, выполненным с возможностью заполнения его жидкостью, при этом вход насоса соединен с выходом резервуара, выход которого соединен с первым отверстием в металлической насадке, второе отверстие которой соединено с входом резервуара.