Способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы
Патент № 2179649 от 25.07.2000 г.
F 02 G 1/02, F 02 M 27/04
Изобретение относится к энергетике, силовым установкам и двигателям, работающим на горячих газах, и энергоустановкам, использующим теплоту взаимодействий элементарных частиц.
Известны способы получения полезной механической энергии, включающие в себя процессы всасывания рабочей среды, ее сжатия, нагрева и расширения. Нагрев рабочей среды в них осуществляют как за счет непосредственного горения топлива (химической энергии топлива), так и за счет внешней передачи теплоты, когда продукты горения топлива не контактируют с рабочей средой. Данные способы могут быть реализованы как в поршневых, так и в газотурбинных двигателях (Стационарные газотурбинные установки. Справочник под ред. Л. В.Арсеньева. – Л.: "Машиностроение", 1989. – стр.15). Однако, как правило, для нагрева рабочей среды используется дорогостоящее органическое топливо, а продукты сгорания оказывают негативное воздействие на окружающую среду.
Известны паровые энергоустановки, в которых энергию перегретого пара используют для получения полезной механической работы (А. В.Чечеткин, Н. А.Занемонец. Теплотехника. Учеб. Для спец. Вузов. – М.:Высшая школа, 1986.- стр. 301-302). Однако, для получения пара используются традиционные виды топлива и технологии, не отвечающие современным требованиям ресурсосбережения и экологии.
Известен способ повышения энергии рабочей среды в атомных реакторах путем распада, например, урана-235, на элементарные частицы с образованием радиоактивных изотопов (Т. Х.Маргулова Атомные электрические станции. – М.:Высшая школа, 1978.-360 с.). Однако, такой способ экологически опасен для всего живого на Земле.
Известен способ преобразования теплоты в механическую работу и силовая установка для его осуществления, заключающийся в использовании энергии расширения двухкомпонентного рабочего тела: газообразного и предварительно нагретого жидкостного (Патент РФ № 2075599, F 01 K 21/00. Бюл. № 8 от 20.03.97). Однако, для нагревания жидкостного компонента используют теплоту сгорания топлива.
Известно явление ионизации (холодной плазмохимии), при которой с атомов кислорода, азота, аргона и других газов слетают верхние электронные оболочки, образуются ионы и другие активные частицы. Условие для возникновения ионизации определяется температурой около 3000° С и может быть создано за счет электровозбуждающего импульса (Журнал "Промышленный вестник", № 9, 1999, стр.19).
Известен способ обработки топлива двигателей внутреннего сгорания путем введения в него воды, снижения давления в смеси до образования кавитационных пузырьков и повышения давления для их схлопывания. Устройство кавитации для получения кавитационных пузырьков конструктивно представляет собой специально спрофилированные сужения и расширения (Авторское свидетельство № 1254191, F 02 M 27/00. Бюл. № 32 от 30.08.86). Однако, для получения полезной механической энергии в данных двигателях используется дорогостоящее органическое топливо.
Известен способ получения тепловой энергии на основе ядерных реакций, возникающих при схлопывании кавитационных пузырьков воды. Кавитационные пузырьки в жидкости создаются за счет периодически изменяющегося давления в устройстве кавитации, в качестве которого используют "ультразвуковой активатор". В момент "схлопывания" пузырьков их стенки под действием разности давлений ускоряются, приобретают кинетическую энергию и сталкиваются в центре. Величина приобретенной и сконцентрированной в микрозоне энергии оказывается достаточной для разрыва части связей между атомами в молекулах и нуклонами в атомах и осуществления их частичного распада на элементарные частицы, содержащиеся в обрабатываемом веществе. В результате в локальной области вещества в момент исчезновения кавитационного пузырька (схлопывания) происходит ядерная реакция с выделением большого количества тепловой энергии (Патент РФ № 2054604, F 24 J 3/00. Бюл. № 5 от 20.02.96). Однако, выделяющаяся тепловая энергия является низкопотенциальной, что ограничивает возможность ее использования для получения полезной работы. Кроме того, требуется обязательное жидкое состояния вещества (рабочей среды).
Известен способ повышения энергии рабочей среды, заключающийся в воздействии на кавитационную воду катализатора, например, инертного газа – аргона, усиливающего сонолюминисценцию воды в 30 раз (М. А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. – М.:Химия, 1986. – 288 с.). Однако, абсолютный уровень энергии в данном способе – незначительный.
Известен способ повышения энергии рабочей среды для совершения полезной работы, заключающийся во всасывании рабочей среды, ее сжатии, пропускании через сжатую рабочую среду электровозбуждающего импульса (электрической дуги или лазерного луча) с повышением энергии рабочей среды и расширении этой рабочей среды с получением полезной работы. Для реализации данного способа поршневая машина снабжена цилиндром, в верхней части которого расположены впускной и выпускной клапана и электроды, связанные с генератором электрической энергии электрическими цепями, а также поршнем, совершающим возвратно-поступательное движение в цилиндре (Заявка Великобритании № 2241746, F 02 G 1/02. Реферативный журнал "Изобретения стран мира", выпуск № 65, №5, 1993, стр 22). Однако, для ионизации и получения избыточной энергии в рабочей среде (воздухе) необходим достаточно мощный генератор электрической энергии.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения на основе предлагаемого способа повышения энергии рабочей среды заключается в повышении коэффициента полезного действия (КПД) силовых установок и двигателей, работающих на горячих газах и парах, и энергоустановок, использующих энергию взаимодействия элементарных частиц, решении вопросов экологической чистоты перспективных энергетических установок, за счет исключения использования традиционного органического и ядерного топдива, а также, в исключении опасной радиации при течении ядерных реакций путем организации частичного распада вещества, без изменения химических свойств его атомов, которые рекомбинируют в продукты реакции без остатка и образования радиоактивных веществ, и восстановление (малого) дефекта массы рабочей среды в естественных природных условиях.
Для достижения данного технического результата, в предлагаемом способе повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы заключающемся во всасывании рабочей среды, ее сжатии, пропускании через рабочую среду электровозбуждающего импульса, расширении рабочей среды с получением полезной работы, используют двухкомпонентную рабочую среду, состоящую из газовой части – воздуха и жидкостной части –воды, при этом всасывание осуществляют в цилиндре поршневой машины путем движения поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) до нижней мертвой точки (НМТ) в три этапа, в первом из них, подают начальную порцию воздуха, во второй, расширяют данную порцию воздуха до низкого давления, в третий, подают дополнительную порцию воздуха одновременно с водой, причем воду предварительно обрабатывают в устройстве кавитации с образованием кавитационных пузырьков и насыщают катализатором, затем производят сжатие рабочей среды путем движения поршня от НМТ к ВМТ, приводящее к "схлопыванию" кавитационных пузырьков и нагреву рабочей среды, после этого, на такте расширения (после перехода поршнем ВМТ) через рабочую среду пропускают электровозбуждающий импульс, обеспечивая повышение энергии рабочей среды за счет парообразования жидкостной части и ионизации рабочей среды, подготовленную двухкомпонентную рабочую среду расширяют в цилиндре поршневой машины путем движения поршня от ВМТ к НМТ с получением полезной работы, затем, отработанную рабочую среду выпускают в атмосферу путем движения поршя от НМТ к ВМТ.
Введение в предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы двухкомпонентной рабочей среды, состоящей из воздуха и воды, которая предварительно обрабатывается в устройстве кавитации с получением кавитационных пузырьков и насыщается катализатором, деление процесса всасывания на три этапа подачи рабочей среды, а также, "схлопывание" кавитационных пузырьков в процессе сжатия рабочей среды с последующим пропусканием через эту среду электровозбуждающего импульса, позволяет получить новое свойство, заключающееся в комбинированном использовании явлений повышения энергии кавитации жидкости путем добавления катализатора, "схлопывания" кавитационных пузырьков и ионизации двухкомпонентной среды посредством электровозбуждающего импульса, обеспечивающих, в целом, повышение энергии рабочей среды путем увеличения давления рабочей среды за счет парообразования жидкостной части и увеличения количества выделяемой теплоты за счет протекания ядерных реакций в рабочей среде в более широком интервале времени, от начала "схлопывания" кавитационных пузырьков до момента электровозбуждающего импульса.
Предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы может быть осуществлен в любой энергоустановке, например, в поршневом двигателе.
На рис. 1 изображена схема фрагмента поршневой машины, реализующей предлагаемый способ повышения энергии рабочей среды для получения полезной работы.
Поршневая машина для преобразования теплоты в механическую работу, реализующая предлагаемый способ, содержит цилиндр 1, внутри которого расположен поршень 2, выполненный с полусферическим углублением 3 в центре верхней торцевой части. Цилиндр 1 поршневой машины в верхней торцевой части снабжен впускным 4 и выпускным 5 клапанами, а также электродами 6 и 7, связанными электрическими целями 8 и 9 с генератором электрической энергии 10. Цилиндр 1 в боковой поверхности верхней части снабжен форсункой 11, связанной с линией подачи воды 12 через устройство кавитации 13. Электроды 6 и 7 установлены в цилиндре 1 с помощью втулок 14 и 15, выполненных из изолирующего материала.
Предлагаемый способ реализуется в описанной поршневой машине следующим образом.
Такт всасывания рабочей среды осуществляют в три этапа. Первый этап начинают движением поршня 2 вниз от ВМТ. При этом через открытый всасывающий клапан 4 из окружающей среды в цилиндр 1 засасывается воздух (газовая часть рабочей среды). При прохождение примерно третьей части полного хода поршня 2 (от верхней до нижней мертвой точки) прекращается подача воздуха, закрывается клапан 4 и начинается второй этап – расширение воздуха, при этом поршень 2 проходит примерно 2/3 полного хода (от ВМТ до НМТ). На третьем этапе всасывания одновременно подают, через клапан 4, дополнительную порции воздуха из окружающей среды и впрыскивают воду в цилиндр 1, через форсунку 11, при этом воду из линии 12 предварительно обрабатывают в устройстве кавитации 13, в результате чего в ней образуются кавитационные пузырьки и насыщают катализатором (например, аргоном). Предварительное расширение воздуха (второй этап) и катализатор усиливают эффект кавитации подаваемой в цилиндр 1 воды. Третий этап характеризуется образованием двухкомпонентной рабочей среды, состоящей из газовой (воздух) и жидкостной (вода) частей с кавитационными пузырьками.
При достижении НМТ, поршень 2 двигают вверх к ВМТ, начиная процесс сжатия двухкомпонентной рабочей среды. За счет увеличения давления, при движении поршня 2 к ВМТ, в рабочей среде происходит "схлопывание" кавитационных пузырьков, что приводит к частичному разрушению молекул и атомов рабочей среды, началу ядерных реакций с выделением теплоты, а как следствие повышению энергии рабочей среды. Для дальнейшего повышения энергии рабочей среды, на такте расширения, при движении поршня 2 вниз от верхней мертвой точки, производят электрический разряд между электродами 6 и 7, связанных электрическими цепями 8 и 9 с генератором электрической энергии 10. Электрический разряд приводит к парообразованию жидкостной части и дополнительной ядерной реакции, что в целом резко повышает энергию рабочей среды. Электрический разряд происходит в области полусферического углубления 3 поршня 2, что обусловливает образование сплошной зоны ядерной реакции.
Выделившуюся теплоту ядерных реакций и давление от парообразования рабочей среды реализуют в полезную (механическую) работу при расширении рабочей среды и движении поршня 2 от ВМТ к НМТ, организуя, таким образом, третий рабочий такт поршневой машины.
На четвертом такте отработанная рабочая среда выпускается из цилиндра 1 через выпускной клапан 5 при движении поршня 2 от НМТ к ВМТ. Затем цикл поршневой машины повторяется.
Для безопасности работы электроды 6 и 7 установлены в цилиндре 1 с помощью втулок 14, 15, выполненных из изолирующего материала.
Источники информации, принятые при составлении заявки:
1. Стационарные газотурбинные установки. Справочник под ред. Л. В.Арсеньева. – Л.: "Машиностроение", 1989. – стр.15.
2. А. В.Чечеткин, Н. А.Занемонец. Теплотехника. Учеб. Для спец. Вузов.-М.:Высшая школа, 1986.- стр. 301-302.
3. Т. Х.Маргулова. Атомные электрические станции. – М.:Высшая школа, 1978. – 360 с.
4. Патент РФ № 2075599, F 01 K 21/00. Бюл. № 8 от 20.03.97.
5. Журнал "Промышленный вестник", № 9, 1999, стр.19.
6. Авторское свидетельство № 1254191, F 02 M 27/00. Бюл. № 32 от 30.08.86.
7. Патент РФ № 2054604, F 24 J 3/00. Бюл. № 5 от 20.02.96.
8. М. А.Маргулис. Звукохимические реакции и сонолюминисценция. – М.:Химия, 1986. – 288 с.).
9. Заявка Великобритании № 2241746, F 02 G 1/02. Реферативный журнал "Изобретения стран мира", выпуск № 65, №5, 1993, стр 22 – прототип.
