Спосіб акумуляції енергії “ерозійно-вибухова нанотехнологія акумуляції енергії”

Спосіб акумуляції енергії, що включає перетворення електричної енергії в теплову шляхом ерозійно-вибухового диспергування металу імпульсами електричного струму в режимі 3 28586 вибухове диспергування металу іскровими розрядами і утворюють, шляхом електризації наночастинок в іскрових розрядах, агломерати наночастинок з різнорідних металів, що створюють електрохімічні пари, переважно з найбільшою різницею величин електродних потенціалів [див. Рішення про видачу деклараційного патенту на корисну модель по заявці №u200706649. Спосіб акумуляції енергії. МПК (2006) F24J3/00. Дата подання заявки 13.06.2007]. Недоліком даного способу є низька ефективність, обумовлена тим, що при поліморфному переході здійснюється стрибкоподібне зменшення струму через розрядні проміжки, що зменшує електризацію наночастинок, а також приводить до неповної аморфізації наночастинок. Наслідком зменшення електризації наночастинок є як безпосередньо зменшення поверхневої енергії наночастинок, так і зменшення кількості створених агломератів наночастинок. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення ефективності способу акумуляції енергії, яка досягається за рахунок збільшення електризації наночастинок і збільшення ступеня аморфізації наночастинок. Запропонований, як і відомий спосіб акумуляції енергії включає перетворення електричної енергії в теплову шляхом ерозійновибухового диспергування металу імпульсами електричного струму в режимі сублімації металу, електризацію диспергованих наночастинок в розрядних проміжках, утворення агломератів наночастинок з різнорідних металів, що створюють електрохімічні пари, нагрівання диспергованих наночастинок металу і подальше охолоджування нагрітих наночастинок в рідині і, відповідно до цієї пропозиції, збільшують амплітуду імпульсів електричного струму до перевищення порогу кавітації рідини і стрибкоподібно збільшують напругу на розрядних проміжках під час спаду переднього фронту імпульсів електричного струму. В пропонованому способі здійснюють ерозійно-вибухове диспергування металу іскровими розрядами [див. Патент України на корисну модель №23550. Спосіб ерозійновибухового диспергування металів. МПК B22F 9/14. Опубл.25.05.2007. Бюл. №7.] Це дозволяє отримати частинки металу високої дисперсності, що сприяє їх аморфізації. Ерозійно-вибухове диспергування металу іскровими розрядами дозволяє отримувати нанодисперсний металевий порошок з великою поверхневою енергією, який акумулює енергію вибуху при сублімації металу. Запасена поверхнева енергія пропорційна ступеню дисперсності частинок. Велика поверхнева енергія нанодисперсних частинок металу є першим чинником акумуляції енергії в пропонованому способі. Електризація наночастинок в іскрових розрядах є додатковим чинником акумуляції енергії і сприяє утворенню агломератів частинок, що складаються з електрохімічних пар металів. 4 У пропонованому способі збільшують амплітуду імпульсів електричного струму до перевищення порогу кавітації рідини. Це дозволяє отримати в середовищі потужні ударні хвилі, які викликають ударне стиснення локальних мікрооб’ємів металу, що виникає від іскрових розрядів, і призводить до перебудови кристалічних ґрат металу, тобто до поліморфного переходу металу в локальних мікрооб’ємах провідника. Оскільки ударні хвилі, що призводять до ударного стиснення металу, розходяться на всі боки у вигляді сферичних хвиль, то найбільша величина ударного стиснення спостерігається в локальних мікрооб’ємах біля поверхні провідника по лінії іскрових розрядів. В цих локальних мікрооб’ємах металу здійснюється поліморфний перехід. Величина ударного стиснення залежить від величини амплітуди імпульсного електричного струму. Поліморфне перетворення розглядається як граничний випадок стиснення для даної модифікації кристалічних ґрат. Величина стиснення для кристалічних тіл має кінцеве значення. При перевищенні цього значення кристалічні грати стають нестійкими, і здійснюється поліморфний перехід. Для різних металів точка поліморфного переходу різна. Так, наприклад, для заліза тиск поліморфного переходу складає величину близько 126кбар. Для олова тиск поліморфного переходу складає величину близько 100кбар. При поліморфному переході стрибком змінюється питомий електричний опір металу. Наприклад, у заліза питомий електричний опір змінюється більш ніж в 2,5 рази. [В.В. Евдокимов. Некоторые закономерности фазовых превращений элементов при высоких давлениях. Успехи физических наук. Т.88, вып. 1, 1966.]. Протікання імпульсного електричного струму через ті мікрооб’єми металу, що піддалися стисненню ударними хвилями, призводить до того, що переважна частка теплової енергії вивільняється в локальних мікрооб’ємах, які піддалися поліморфному переходу, оскільки з цих зонах електричний опір стає найбільшим в провіднику. Таким чином здійснюється зміна властивостей провідника під дією електричного струму, що призводить до ефективної концентрації енергії в локальних мікрооб’ємах провідника. Кавітація в рідині є одночасно ознакою досягнення максимальної щільності енергії в локальних об’ємах металу. В пропонованому способі стрибкоподібно збільшують напругу на розрядних проміжках під час спаду переднього фронту імпульсів електричного струму. Це дозволяє компенсувати зменшення струму у момент поліморфного переходу, що виникає за рахунок збільшення опору ланцюгу, і надійно забезпечити високий рівень концентрації енергії в локальних мікрооб’ємах провідника. Спосіб акумуляції енергії здійснюють таким чином. Електрична енергія використовується для нагріву і сублімації металевих гранул з різнорідних металів під дією імпульсів електричного струму і виникаючих електричних розрядів. Металеві 5 28586 гранули поміщають в реактор з водою. При проходженні через ланцюжки металевих гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованого металу, в точках контактів металевих гранул виникають іскрові розряди, в яких здійснюється ерозійно-вибухове диспергування металу в режимі сублімації. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші металеві наночастинки і металеву пару. Продукти руйн ування розлітаються з великими швидкостями і дуже швидко охолоджуються в рідини, оскільки їх розміри надзвичайно малі (приблизно 2нм...10мкм). Рідина, за рахунок високої теплоємності і великої різниці температур "рідина розплавлений метал" забезпечує різке охолоджування нанодисперсних частинок, що дозволяє зафіксувати речовину в аморфному стані. Речовина в аморфному стані запасає велику енергію. Висока швидкість охолоджування розплавлених нанодисперсних частинок в рідині створює умови для фіксації їх рідкофазної структури, що перешкоджає кристалізації і дозволяє зберегти накопичену енергію і не виділяти її у вигляді тепла. В результаті, здійснюється фіксація і стабілізація аморфного стану речовини диспергованих наночастинок. Переведення нанодисперсних частинок металу в аморфний стан є другим чинником акумуляції енергії в пропонованому способі. Нанодисперсний металевий порошок в аморфному стані здатний акумулювати велику енергію як за рахунок великої поверхневої енергії [див. заявка России №2002102744. Ильин А.П. Способ определения избыточной энергии порошковых материалов. МПК G01N25/02. Опубл. 2003.10.10], так і за рахунок внутрішньої енергії речовини в аморфному стані. Такий порошок внаслідок великої закумульованої енергії спалахує на повітрі без будь-якого нагріву, в той час, як кристалічні аналогічні метали, подрібнені до таких же розмірів, спалахують лише при достатньо високому нагріві – до 300....400°C, а грубозернисті частинки металу, наприклад, молібдену, на повітрі практично не спалахують до 1000°С. [Р. Т. Малхасян Доклады национальной Академии Наук Армении, 2004, Том 104, №4]. При зворотному переході речовини з аморфного стану в кристалічне виділяється запасена енергія. Оскільки в зоні іскрових розрядів має місце високий градієнт потенціалу, то утворені вибухами розплавлені металеві нанокраплі за час знаходження в електричному полі набувають поверхневого електричного заряду. У зв’язку з тим, що частинки мають різні розміри, електричне поле у частинок меншого розміру має більший градієнт потенціалу, ніж у частинок великого розміру. При близькому розташуванні дрібних частинок і великих частинок за рахунок електростатичної індукції на локальних ділянках поверхні великої частинки, напроти малої частинки, утворюються наведені (індуковані) заряди протилежного знаку. Тому, на поверхні 6 великої частинки «налипають» маленькі частинки. В результаті формуються наноструктуровані агломерати наночастинок з різнорідних металів, що створюють електрохімічні пари. Кожна електрохімічна пара - це наноджерело струму, яке є ядром з крупної частинки і оболонкою з дрібних частинок. В результаті, в рідині накопичується нанодисперсний металевий порошок у вигляді агломератів наночастинок з різнорідних металів, що створюють електрохімічні пари, в яких метали знаходяться в аморфному стані. Створення за допомогою електризації наночастинок в іскрових розрядах агломератів наночастинок з різнорідних металів, які створюють електрохімічні пари, є третім чинником акумуляції енергії в пропонованому способі. Порошок з агломератів наночастинок, утворених різнорідними металами, має додаткову енергію за рахунок утворення дуже великої кількості наноджерел електричного струму. Ці наногальванічні елементи електричного струму починають діяти при попаданні їх в електропровідне середовище, яким є, наприклад, плазма полум’я, утворена при згоранні горючих сумішей. При цьому в середовищі полум’я починають протікати електричні струми, що генеруються наноджерелами струму. При цьому вивільняється додаткова енергія величезної кількості нанорозмірних електрохімічних пар (наногальванічних елементів), число яких може перевищувати 106...109 на літр горючої суміші. Добре відома активізація горіння при протіканні електричних струмів в плазмі полум’я. Окрім інтенсифікації процесу горіння під впливом електричних стр умів здійснюється екологічно чисте горіння. [Дудышев В.Д. "Электроогневая технология - эффективный путь решения энергетических и экологических проблем". "Экология и промышленность России", №3, 1997, с.11-14.]. Під дією іскрових розрядів в точках входження струму в гранули здійснюється ударне стиснення локальних мікрооб’ємів металевих гранул ударними хвилями, що виникають в рідині. Тиск вибухоподібно збільшується, що призводить до перебудови кристалічних ґрат металу, тобто до поліморфного переходу в локальних мікрооб’ємах металевих гранул. Наслідком поліморфного переходу є стрибкоподібна зміна питомого електричного опору металу в локальних мікрооб’ємах металевих гранул, що призводить до концентрації енерговиділення в цих локальних мікрооб’ємах. Одночасне зростання питомого опору викликає стрибкоподібне падіння електричного струму в ланцюзі. Для компенсації зменшення струму у момент поліморфного переходу стрибкоподібно збільшують напругу на розрядному проміжку. Це здійснюють шляхом включення в електричний ланцюг послідовно з розрядним проміжком індуктивності. У індуктивності при різкому зменшенні струму виникає Е.Р.С. самоіндукції, яка призводить до стрибкоподібного збільшення напруги на розрядному проміжку і, відповідно, до ще більшої концентрації енерговиділення в локальному мікрооб’ємі провідника. Висока щільність енергії 7 28586 призводить до утворення переважно тонкодисперсного нанопорошку, ступінь аморфізації якого дуже високий, оскільки дрібніші наночастинки мають вищу швидкість охолоджування. Крім того, стрибкоподібне збільшення напруги на розрядному проміжку призводить до збільшення електризації наночастинок, що також підвищує е фективність акумуляції енергії. Висушений нанопорошок в герметичній упаковці в середовищі аргону або пасту з нанопорошку в середовищі аргону можна транспортувати і використовувати як високоефективний енергоносій. Додаткова закумульована енергія порошку виділяється, наприклад, при згоранні металевого порошку у складі горючої суміші, що вимагає менше пального для отримання необхідної енергії. 8