Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии

Полезная модель относится к энергетическим машинам и может найти применение в транспорте и в теплоэнергетике. Задачи создания полезной модели, совпадающие с техническим результатом, состоят в повышении КПД установки и уменьшении расхода топлива. Решение указанных задач достигнуто в устройстве для термохимического разложения воды и преобразования энергии, содержащее модуль нагрева и модуль парогенератора, имеющий емкость и катализатор, тем, что согласно полезной модели оно содержит модуль подготовки воды, подсоединенный к парогенератору. Модуль подготовки воды может содержать емкость с активированной водой, структуризатор воды, кран-регулятор подачи воды и топливную форсунку ось которой направлена на катализатор-воспламенитель. Модуль парогенератора может содержать прочную емкость с днищем в нижней части и коническим концентратором пара в верхней части, катализатор-испаритель, уложенный на днище, регулятор-клапан пара на выходе из конического концентратора пара, по меньшей мере, один подводящий патрубок, на конце которого установлена, по меньшей мере, одна форсунка, расположенная под днищем и против катализатора. Модуль нагрева может быть выполнен в виде устройства подачи пускового топлива. Устройство подачи пускового топлива может содержать топливную емкость с топливопроводом, кран-регулятор топлива и основную горелку. Модуль нагрева может быть выполнен в виде системы индукционного нагрева. Система индукционного нагрева может содержать индуктивную катушку, размещенную снаружи или внутри емкости парогенератора и высокочастотный преобразователь напряжения, электрический по выходу присоединенный к данной индуктивной катушке. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать паровую турбину, на общем валу с которой установлен электргенератор. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать блок управления, соединенный электрическими связями с кран-регулятором подачи воды, кран регулятором топлива и регулятор - клапаном пара. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать датчики давления и температуры, установленные в емкости и соединенные электрическими связями с блоком управления. Катализатор-воспламенитель может быть выполнен в виде чугунной металлической плиты. Катализатор-воспламенитель может быть установлен против паровой форсунки. Катализатор-испаритель может быть выполнен из шунгита. 1 с.п-.кт. ф-лы 12 зав п-ов, илл. 7.

Полезная модель относится к энергетическим установкам с применением термохимического разложения воды на кислород и водород с последующим сжиганием полученного водорода и получением других видов энергии: механической или электрической.

Известно устройство для разложения воды на водород и кислород по патенту РФ на изобретение 2232829, МПК C25B 1/04, опубл. 20.07.2004 г.

Изобретение относится к физико-химическим технологиям получения водорода и кислорода. Устройство имеет цилиндрический корпус, изготовленный из диэлектрического материала, межэлектродную камеру, катод с конической наружной поверхностью с нижним патрубком и осевым отверстием для подачи раствора, анод с конической внутренней поверхностью с верхним патрубком и осевым отверстием для выхода газов. В корпус вставлены полые электроды конической формы с осевыми отверстиями, имеющими диаметр, постепенно увеличивающийся в направлении от катода к аноду. Электроды изолированы друг от друга уплотнительными диэлектрическими кольцами. Технический эффект - получение водорода и кислорода низкоамперным электролитическим разложением воды, уменьшение энергетических затрат.

Недостаток: устройство не может быть использовано для преобразования энергии.

Известно устройство для получения энергии по патенту РФ на полезную модель 1085, МПК F01B 23/10, опубл. 15.11.1995 г., содержащее электролизер, генератор Пелье, а также двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину, соединенные с валами электрогенераторов, отличающееся тем, что входы двигателя внутреннего сгорания подключены к электролизеру, выход его - к входу паровой турбины, выход которой связан с входом генератора Пелье, выход которого соединен с входом электролизера, причем электролизер заполнен водой, в которой растворен катализатор реакции разложения воды на кислород и водород, например едкий натрий или сернокислый натрий, при этом все генераторы электроэнергии соединены в общую электрическую цепь, к которой подсоединяется полезная нагрузка, например аккумулятор.

Недостаток сложность схемы преобразования энергии.

Известно устройство для реализации способов получения водорода термохимическим разложением воды по патенту РФ на изобретение 1699062, МПК B01G 7/00, опубл. 27.02.1996 г. Оно позволяет интенсифицировать процесс получения водорода и повысить его производительность, снизить его энергоемкость, создать экологически чистую технологию, а также расширить функциональные возможности установки при упрощении ее, а также расширить функциональные возможности установки при упрощении ее технологической схемы. Установка содержит, установленные в соответствии с технологической схемой процесса бункеры для металла и углерода, емкости с водой и угарным газом, теплогенератор и соединенные с теплогенератором реактор окисления и реактор восстановления, связанные между собой транспортной системой, причем реактор восстановления выполнен из двух отдельных реакторов восстановления соответственно окиси и закиси металла, где реактор восстановления окиси металла построен по принципу реактора виброкипящего слоя, а реактор восстановления закиси металла снабжен встроенным в общую транспортную цепь спиральным вибрирующим лотком с тепловодом в виде тепловой трубки, находящейся в непосредственном тепловом контакте с теплоносителем теплового аккумулятора, в корпус которого вмонтирована обмотка электромагнитного индуктора, питаемого от генератора тока высокой частоты. Резервуар-хранилище готового продукта-водорода заполнен материалом вакуумного химического поглотителя водорода, в качестве которого взят коллоидный палладий.

Признаки, общие с прототипом: модуль пускового топлива и модуль парогенератора, имеющий катализатор.

Известно устройство по патенту РФ на изобретение 2040328, МПК B01J 7/00, опубл. 25.07.1005 г., прототип.

Это изобретение относится к химической технологии и энергетике, в частности к оборудованию для реализации способов получения водорода термохимическим разложением воды, и может быть использовано, например, для обеспечения высококалорийным топливом силовых установок ледоколов. Установка содержит установленные в соответствии с технологической схемой процесса бункер с исходным компонентом, емкость для воды, емкость для хранения готового продукта (водорода), теплогенератор для обеспечения соответсвующих температурных режимов термохимических циклов, соединенные с теплогенератором тепловодами реактор окисления и реактор восстановления, связанные между собой системой транспортирования исходных компонентов, промежуточных продуктов термохимических циклов и готового продукта с запорно-регулирующей арматурой, а также емкость для катализатора (иода) и емкость для хранения кислорода. При этом реактор окисления выполнен с перемешивающим устройством в виде установленных на кинематически связанных с вибратором штоках, размещенных в зоне жидкой фазы реактора поршня и набора перфорированных тарелок. Реактор восстановления выполнен из установленных со смещением вверх в вертикальной плоскости относительно реактора окисления в виде нисходящей ступени двух вертикальных колонн.

Недостатки низкий КПД устройства и его конструктивная сложность и опасность в обслуживании в связи с хранением и применением концентрированного водорода.

Задачи создания полезной модели, совпадающие с техническим результатом, состоят в повышении КПД установки и уменьшении расхода топлива.

Решение указанных задач достигнуто в устройстве для термохимического разложения воды и преобразования энергии, содержащее модуль нагрева и модуль парогенератора, имеющий емкость и катализатор, тем, что согласно полезной модели оно содержит модуль подготовки воды, подсоединенный к парогенератору. Модуль подготовки воды может содержать емкость с активированной водой, структуризатор воды и кран-регулятор подачи воды. Модуль парогенератора может содержать прочную емкость с днищем в нижней части и коническим концентратором пара в верхней части, катализатор-испаритель, уложенный на днище, регулятор-клапан пара на выходе из конического концентратора пара, по меньшей мере, один подводящий патрубок, на конце которого установлена по меньшей мере, одна форсунка, расположенная под днищем и против катализатора. Модуль нагрева может быть выполнен в виде устройства подачи пускового топлива. Устройство подачи пускового топлива может содержать топливную емкость с топливопроводом, кран-регулятор топлива и основную горелку, ось которой направлена на катализатор-испаритель.. Модуль нагрева может быть выполнен в виде системы индукционного нагрева. Система индукционного нагрева может содержать индуктивную катушку, размещенную снаружи или внутри емкости парогенератора и высокочастотный преобразователь напряжения, электрический по выходу присоединенный к данной индуктивной катушке. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать паровую турбину, на общем валу с которой установлен электрогенератор. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать блок управления, соединенный электрическими связями с кран-регулятором подачи воды, кран регулятором топлива и регулятор - клапаном пара. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии может содержать датчики давления и температуры, установленные в емкости и соединенные электрическими связями с блоком управления.

Катализатор-воспламенитель может быть выполнен в виде чугунной металлической плиты. Катализатор-воспламенитель может быть установлен против паровой форсунки. Катализатор-испаритель может быть выполнен из шунгита.

Сущность полезной модели поясняется на чертежах фиг.17, где:

на фиг.1 приведена упрощенная схема устройства,

на фиг.2 приведена полная схема устройства,

на фиг.3 приведена схема устройства с паровой турбиной,

на фиг.4 приведена схема устройства с блоком управления,

на фиг.5 приведена схема устройства с датчиками контроля его работы,

на фиг.6 приведена конструкция форсунки,

на фиг.7 приведена схема установки с индукционной системой нагрева.

Состав основных узлов и элементов устройства превращения воды в топливный газ. Описание устройства в статике.

Устройство термохимического разложения воды и сжигания водорода упрощенно показано на фиг.1 и содержит три основных модуля: модуль подготовки воды 1 и модуль парогенератора 2 модуль нагрева топливного газа 3 соединенные между собой. В модуле парогенератора 2 применено два катализатора: катализатор-испаритель и катализатор-воспламенитель.

Поясним подробнее конструкцию и состав этого устройства (фиг.17.)

Модуль подготовки и структурирования воды 1 содержит емкость 4 с активированной водой 5, структуризатор воды 6, дозатор и кран-регулятор подачи воды 7.

Модуль парогенератора 2 предназначен для образования и активирования перегретого водяного пара включает в себя прочную емкость 8 из нержавеющей стали, конический концентратор пара - 9, катализатор-испаритель 10, служащий для ускорения испарения воды и термоионизации пара, с активной зоной термоионизации 11, регулятор-клапан пара 12 и узел подачи и сжигания пара 13.

Катализатор-испаритель 10 выполнен из шунгита и предназначен для инициирования процесса разложения воды на водород и кислород.

Шунгит - это минерал, который содержит очень большое количество элементов, едва ли не всю периодическую таблицу, но основой является его углеродистая основа.

Шунгит - группа твердых углеродистых минеральных веществ, представляющих в главной массе аморфные разновидности углерода, близкие по составу графиту. Химический состав шунгита непостоянен: в среднем содержит 60-70% углерода и 30-40% золы. В золе содержится: 35-50% окиси кремния, 10-25% окиси алюминия, 4-6% окиси калия, 1-5% окиси натрия, 1-4% окиси титана, а также примеси других элементов. Шунгит встречается в сплошных массах черного (с сильным блеском) или графитного серого цвета с раковистым или мелкозернистым изломом. Твердость - по Моосу - 3-4, удельный вес - 1,8-2 г/кв. см (что указывает на значительную пористость. - Авт.). Шунгит представляет собой органическое вещество, концентрировавшееся в древних (допалеозойских) кремнисто-глинистых и карбонатных осадках, впоследствии превращенных процессами метаморфизма в кремнистые сланцы и доломиты.

Узел подачи и сжигания перегретого пара 13 содержит подводящие патрубки 14, паровые форсунки 15 и 16 и массивный металлический катализатор - нагреватель 17, плотно совмещенный с модулем парогенератора 2. Перегретый термоионизированный водяной пар поступает по подводящим патрубкам 14 и направленными струями из паровых форсунок 15 и 16 направлен в пламя 17 основной горелки 18. Прочная емкость 8 содержит днище 19, под которым установлен катализатор-воспламенитель 20. Катализатор-воспламенитель выполнен в виде чугунной металлической плиты. Струи из форсунок 15 и 16 и основной горелки 18 также направлены на поверхность катализатора-воспламенителя 20. Катализатор-воспламенитель 20 предназначен для инициирования процесса горения пара.

Паровые форсунки 14 и 15 имеют регуляторы подачи пара (на фиг.1 не показаны).

Пламя 17 основной горелки 18 направлено на днище 19 емкости 8 и частично на катализатор-воспламенитель 20 для окончательной термоионизации и воспламенения перегретого пара (зоны распыления пара 21 и 22). Катализатор-воспламенитель 20, как уже упоминалось, установлен под днищем 19 (фиг.2) и предназначен для инициирования воспламенения пара..

Модуль нагрева топливного газа 3 может быть выполнен в двух вариантах:

- в виде системы нагрева топливом,

- в виде системы индукционного нагрева.

В первом варианте этот модуль содержит топливную емкость 23, топливопровод 24 и кран-регулятор топлива 25. (фиг.2). Второй вариант описан ниже.

Кроме того, устройство может содержать паровую турбину 26, имеющую общий вал 27, соединенный с электрогенератором 28 (фиг.3) для получения электрической энергии и передачи ее потребителям.

Устройство может содержать блок управления 29, который электрические связями 30 соединен с кран-регуляторами 7, 12 и 25 (фиг.4).

Для контроля работы устройства оно может быть оборудовано датчиком давления 31 и датчиком температуры 32, установленными внутри прочной емкости 8. (фиг.5), которые электрическими связями 30 соединены с блоком управления 29.

Паровые форсунки 15 и 16 имеют сложную конструкцию (фиг.6).

Эта паровая форсунка 15, аналогично 16 (фиг.6) присоединена к концу патрубка 14 и состоит из цилиндрического корпуса 33, в виде полой металлической трубки 34, имеющего сквозной топливный канал 35 и распылительное сопло 36. На цилиндрическом корпусе 34 топливной форсунки 15 размещена диэлектрическая цилиндрическая трубка 37, например в виде фторопластового цилиндра со сквозным отверстием, с диаметром этого отверстия, равным внешнему диаметру сопла топливной форсунки, на торце которого, размещенном за распылительным соплом 36 форсунки укреплен кольцевой электропроводящий электрод 38, с внутренним диаметром отверстия, равным диаметру проходного отверстия сопла 36, для соприкосновения этого кольцевого электрода 38 с топливом. На выходе модернизированной топливной форсунки 15 размещен также полый кольцевой вихревой смеситель 39, имеющий наклонные выходные отверстия в этой полости и сквозное отверстие для прохода электростатически распыленного топлива и тангенциальные вводы 40 в полость смесителя, например, в виде одного или нескольких тангенциальных отверстий в корпусе (показано только одно отверстие), для тангенциального ввода и интенсивного вихревого смешивания различных дополнительных компонентов топливовоздушной смеси, а именно атмосферного воздуха, отходящих горячих газов двигателя, воды пара, внутри этого вихревого смесителя 39, с последующей подачей их в конический патрубок 41, в зону вихревой закрутки основного потока окислителя - воздуха. Причем этот вихревой смеситель 39 может быть конструктивно совмещен с кольцевым электродом 39 - деталь 42. Для простоты чертежа на фиг.6 показан вынесенный отдельный вихревой смеситель 39, который соединен коническим патрубком 41 с впускным отверстием 43 рабочего цилиндра камеры сгорания 44 теплового инжекторного двигателя внутреннего сгорания, показанной упрощенно. В камере сгорания 44 двигателя также размещена штатная электрическая свеча зажигания 45, содержащая центральный электрод 46, электроизолятор 47 и корпус 48 с ввертной частью и боковым электродом 49, электрически соединенного с массой двигателя. Электроды 46, 49 свечи зажигания и электроды 38, 46 электростатического распылителя топлива присоединены соответственно к источникам 50 и 51 знакопостоянного высоковольтного импульсного напряжения к источнику питания, например, к аккумуляторной батарее 52. На фиг.6 также упрощенно показаны корпус 8, зона электростатического распыления топлива 53, зоны интенсивного вихревого смешивания топлива и окислителя 54, зона зажигания 55.

Возможно применение системы индукционного нагрева (фиг.7). В этом случае модуль нагрева 3 может быть выполнен в виде системы индукционного нагрева. Система индукционного нагрева может содержать индуктивную катушку 56, размещенную снаружи или внутри прочной емкости 8 парогенератора и высокочастотный преобразователь напряжения 57, электрический подсоединенный проводами 58 по выходу к данной индуктивной катушке 56.

Вход в индуктивную катушку 56 соединен проводами 59 с электрогенератором 27 или другим источником электроэнергии.

Описание работы устройства

Вначале подготавливают к работе модуль подготовки и подачи структурированной воды 1. Для этого пропускают обычную водопроводную воду через структуризатор воды 6 и наливают ее в емкость 4. При этом в исходном положении кран-регулятор подачи воды 7 закрыт, и воды в емкости 4 нет. Затем открывают кран-регулятор топлива 25 и подают топливо из топливной емкости 23 по топливопроводу 24 в основную топливную горелку 18, где одновременно осуществляют подачу воздуха в нее и производят зажигание.

Пламя 17 от основной топливной горелки 18 за определенное время нагревает докрасна емкость 8 и особенно днище 19 и катализатор-испаритель 10. Затем подают через кран-регулятор подачи воды 7 структурированную воду в емкость 8 с направлением струи на катализатор-испаритель 10. В качестве катализатора - испарителя 10 в самом простом варианте может быть использована «металлорезина» или обычная металлическая сетка для мытья посуды. В исходном положении клапан-регулятор пара 12 закрыт.

Далее, по мере испарения воды, и его нагрева, давление пара в емкости 8 возрастает и с этого момента перегретый, частично ионизированный пар подается через патрубки 14 в паровые форсунки 15 и 16 и дозировано распыляется на нагретую поверхность катализатора-воспламенителя 20, выполненного из металла - чугуна и в само пламя 17. Благодаря воздействию катализатора-воспламенителя 20 и вследствие термической ионизации происходит его частичная диссоциация на Н2 и 02 и превращение в топливный газ, который вспламеняется и начинает гореть. С ростом температуры давления перегретого пара на поверхности катализатора-воспламенителя 20 возрастает концентрация Н2 и повышается теплотворная способность получаемого топливного газа, а также и тепловая мощность от его сгорания на этом катализаторе.

В результате возрастает суммарная теплота сгорания основного топлива от пламени 17 в основной топливной горелке 18, и теплота от сжигания на катализаторе-воспламенитель 20 топливного газа, получаемого от струй пара в зонах распыления пара 21 и 22, подаваемых от форсунок 15 и 16 на катализатор-воспламенитель 20 и в пламя 17. После выхода этой установки на штатный режим работы, краном-регулятором топлива 25 снижают в разы расход топлива, подаваемого в основную топливную горелку 18.

В результате применения воды в качестве топлива и эффективного сгорания образуемого в данном устройстве водяного газа возникает многократная экономия топлива (в 10-20 раз). В случае применения эффективных катализаторов горения термоионизированного пара и при идеальной настройке регуляторов в этой теплоэнергетической установке, подачу топлива в основную топливную горелку 18 можно прекратить.

Для интенсификации процесса воспламенения топливного газа, можно электростатически заряжать подаваемый в форсунки 15 и 16 перегретый пар (смесь водяного пара водорода и кислорода), т.е. пропускать его через электрическое поле посредством применения электростатических форсунок Дудышева. (Патент РФ на полезную модель 71732) см. фиг.6.

Если применена схема индукционного подогрева топливной смеси, то включают катушку индуктивности 56 и нагревают днище 19 и катализатор-воспламенитель 20 (фиг.7). Применение полезной модели позволило:

1. Повысить КПД тепловых машин.

2. Уменьшить расход топлива.

3. Обеспечить экологичность процесса.

4. Обеспечить автоматическое управление работой тепловой машиной.

5. Обеспечить безопасность труда обслуживающего персонала за счет использования водорода в низкой концентрации и отсутствия емкостей для его хранения.

1. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии, содержащее модуль нагрева и модуль парогенератора, имеющий емкость и катализатор, отличающееся тем, что оно содержит два катализатора: катализатор-испаритель и катализатор-воспламенитель, а также модуль подготовки воды, подсоединенный к парогенератору.

2. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что модуль подготовки воды содержит емкость с активированной водой, структуризатор воды и кран-регулятор подачи воды.

3. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что модуль парогенератора содержит прочную емкость с днищем в нижней части и коническим концентратором пара в верхней части, катализатор-испаритель, уложенный на днище, регулятор-клапан пара на выходе из конического концентратора пара, по меньшей мере, один подводящий патрубок, на конце которого установлена, по меньшей мере, одна паровая форсунка, расположенная под днищем и против катализатора-воспламенителя.

4. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что модуль нагрева выполнен в виде устройства подачи пускового топлива.

5. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.4, отличающееся тем, что устройство подачи пускового топлива содержит топливную емкость с топливопроводом, кран-регулятор топлива и основную горелку, ось которой направлена на катализатор-воспламенитель.

6. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что модуль нагрева выполнен в виде системы индукционного нагрева.

7. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что система индукционного нагрева содержит индуктивную катушку, размещенную снаружи или внутри емкости парогенератора и высокочастотный преобразователь напряжения, электрически по выходу присоединенный к данной индуктивной катушке.

8. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что оно содержит паровую турбину, на общем валу с которой установлен электрогенератор.

9. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что оно содержит блок управления, соединенный электрическими связями с кран-регулятором подачи воды, кран регулятором топлива и регулятор - клапаном пара.

10. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.9, отличающееся тем, что оно содержит датчики давления и температуры, установленные в емкости и соединенные электрическими связями с блоком управления.

11. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что катализатор-воспламенитель выполнен в виде чугунной металлической плиты.

12. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.9, отличающееся тем, что катализатор-воспламенитель установлен против паровой форсунки.

13. Устройство для термохимического разложения воды и преобразования энергии по п.1, отличающееся тем, что катализатор-испаритель выполнен из шунгита.