Спосіб активації молекул-реагентів реакції горіння

Реферат: UA 73691 U UA 73691 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до галузі енергетики і може використовуватись в установках для спалювання різних видів палива. Сучасні енергетичні установки як джерело теплової енергії використовують паливноповітряні суміші із певним співвідношенням паливо:повітря. Існують різні способи підвищення енергетичної ефективності установок. Вони полягають у спеціальній підготовці палива перед подачею в паливну установку. Так, вугілля подрібнюється до консистенції дрібнодисперсного порошку [1], пальне в карбюраторних і дизельних двигунах розпилюється перед подачею в циліндри [2]. Різна величина крапель при розпиленні рідкого палива і ступінь подрібнення твердого палива, величина співвідношення паливо:повітря суттєво впливають на енергоефективність паливних установок. Для підвищення коефіцієнта корисної дії та енергетичної віддачі паливної установки використовують суміші різних видів палива [3,4], різні типи паливних установок. Підвищенню економічності використання палива і зменшенню негативного впливу на довкілля сприяє пристрій для живлення двигуна озонованим паливом [5]. Відомий також спосіб [6] підготовки до спалювання окислювача шляхом дії на нього за допомогою електричного розряду, створюваного джерелом високої напруги (3-100 кВ) і високої частоти (10-1 МГц), прикладеної до нагрітого до 400-1500 °C електрода, виготовленого з металу з високим опором. Відомий пристрій підготовки окислювача до спалення палива [7], що містить решіткуелектрод, електрично ізольовану від стін трубопроводу окислювача, який відрізняється тим, що на решітці встановлені стікачі електричних зарядів довжиною 10-12 мм, тупі кінці яких жорстко закріплені у вузлах решітки, а загострені кінці направлені по ходу потоку окислювача. Відомий спосіб підготовки окислювача (повітря) до спалювання та пристрій для його здійснення [8]. Запропонований спосіб підготовки окислювача до спалювання, який включає вплив неоднорідного стаціонарного електричного поля на окислювач. Пристрій для здійснення цього способу містить електрод, виконаний у вигляді решітки, встановленої в трубопроводі окислювача і електрично ізольованої від стін трубопроводу окислювача. На решітчастий електрод подається висока електрична напруга від окремого джерела високої напруги. За прототип вибраний спосіб підвищення енергетичної ефективності паливних установок на вуглеводневому паливі, який полягає в активації компонентів реакції горіння перед спалюванням шляхом дії на них високовольтним пульсуючим нерівномірним електричним полем високої напруги з частотою імпульсів 100-120 Гц [9]. Опис прототипу не вказує, на які саме енергетичні рівні збудження (резонансні чи метастабільні) переводяться молекулиреагенти реакції горіння. Залежність реакційних властивостей хімічної системи від внутрішньої енергії, будови і атомно-молекулярного складу реагентів є основним питанням сучасної теорії хімічної кінетики. За законом Ареніуса, відкритим у 1889 році, константа швидкості реакції пов'язана з енергією активації (Еа), що характеризує енергетичний стан молекули, виразом: 40 45 50 55  Ea RT (1) , де - k0 - константа; R - газова стала, рівна 1,987 кал/град-моль; Τ - температура в градусах шкали Кельвіна; e - основа натуральних логарифмів. Енергія активації молекул-реагентів визначаються за формулою Ee=(lgk0-lgk)4,575T. (2) З формули (2) видно, що енергія активації прямо пропорційно залежить від температури. Атоми чи молекули називають активованими при переході одного або кількох валентних електронів із стаціонарних енергетичних рівнів на рівні збудження. Процес активації молекул можна проілюструвати за допомогою енергетичної діаграми молекули, приведеної на кресленні. Стаціонарні енергетичні рівні qeU1···qeUk на енергетичній діаграмі зображені штрихпунктирними лініями. Енергетичний рівень іонізації молекули qeUi, зображений точковою пунктирною прямою. Рівні збудження молекули позначені штриховими лініями. Активація молекул-реагентів крім термоактивації може бути здійснена з допомогою інших джерел енергії. У випадку подачі зовнішньої енергії у вигляді імпульсів або пульсуючих сигналів, частота яких співпадає з резонансною частотою молекул реагентів, можна досягти ефекту переведення молекул-реагентів в активний стан із значно меншими енергетичними затратами. Виходячи з таких міркувань формула (2) запишеться у вигляді Ee=[(lgk0-lgk)4,575T]-Wb, (3) де W - енергія активації від зовнішніх джерел, k  k0  e 1 UA 73691 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 b - коефіцієнт використання зовнішньої енергії молекулами-реагентами. Рівні збудження можуть бути резонансними і метастабільними [10]. На резонансних рівнях збудження qeUзp1 і qeU3p2 атом чи молекула перебуває дуже короткий 8 проміжок часу (~10- с) [11]. Пальник установки, як правило, знаходиться на деякій відстані від активаційних високовольтних пристроїв. При транспортуванні молекул окислювача і відновника цього часу буде недостатньо, щоб саме активовані молекули надійшли на спалювання. За вказаний проміжок часу переважна більшість молекул повертаються на стаціонарні енергетичні рівні і для вступу в хімічну реакцію потрібна їх повторна активація. Повторна активація молекулреагентів реакції горіння проходить за рахунок підвищеної температури (термоактивація). Тому переведення молекул реагентів зі стаціонарних на резонансні рівні збудження є неефективною з точки зору підвищення коефіцієнта корисної дії паливної установки через заміщення частини теплової енергії, яка використовується для активації молекул, іншими видами енергії. На метастабільних рівнях збудження qeUзм1 час релаксації атомів і молекул як мінімум на 4 2 кілька порядків більший (~10- ÷10- с) [12]. В зв'язку з тим, що реакція горіння вуглеводневого палива пов'язана з транспортуванням активованих молекул окислювача і відновника на деяку відстань, час релаксації молекул повинен бути співмірним з часом транспортування молекулреагентів від активаційних пристроїв до пальника. Тому, для протікання хімічних реакцій між молекулами-реагентами реакції горіння їх необхідно переводити на метастабільні енергетичні рівні з часом релаксації, співмірним і дещо більшим за час транспортування молекул від місця активації до місця вступу в реакцію. Технічна реалізація пропонованого способу полягає у використанні технологій та обладнання, які забезпечують енергетичну дію на молекули-реагенти для переведення їх на енергетичні метастабільні рівні збудження з часом релаксації, достатнім для транспортування активованих молекул від місця активації до місця спалювання. Джерела інформації: 1. А.с. 1652750. Елсуков В.К. и др. Способ регулирования мощности котельного агрегата. Приоритет 15.05.1989. 2. Боровських Ю.І. та ін. Будова автомобілів. - Київ: Вища школа, 1991. 3. А.с.1388660. Балабанов B.C. и др. Способ сжигания жидкого и твердого мелкодисперсного топлива. - Приоритет 18.02.1986. 4. А.с. 1366785. Хидиятов A.M. Способ совместного сжигания угольной пыли и диспергированного топливного коагулята. - Приоритет 07.04.1986. 5. Патент України № 67515. МПК F02M 25/00. Пристрій для живлення двигуна внутрішнього згорання озонованим паливом/ Столяренко Г.С., Громико А.В.(Україна)/ Заяв.09.10.2003; опубл. 15.06.2004. Бюл. № 6. 6. Патент Росії № 2058510. МПК F24F3/16. Способ ионизации воздуха и газов /Козлов Н.С./ Заяв. 14.04.1992; опубл.20.04.96. 7. Патент України № 52845. МПК F23C 99/00. Пристрій підготовки окислювача до спалення палива / Мальцев В.О., Кушнір В.Μ., Педос В.А., Ніколаєв М.М. (Україна) / Заяв.30.05.2002; опубл. 15.01.2003. Бюл. №1, 2003. 8. Патент України № 24193. МПК F23C 99/00. Спосіб підготування окислювача до спалювання та пристрій для його здійснення/ Шкляр B.C., Овсій О.В./ Заяв.27.06.1997; опубл. 30.10.1998. Бюл. № 5, 1998. 9. Патент № 37572 Україна, МПК F23C 99/00. Спосіб підвищення ефективності паливних установок на вуглеводневому паливі та пристрій для його реалізації / Ковалишин Б.М. (Україна)/Заяв.28.07.2006; опубл. 10.12.2008. Бюл. № 23. 10. Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. – М.: Советская энциклопедия. Главный редактор Α. Μ. Прохоров, 1988. 11. Каганов И.Л. Ионные приборы. - М.: Энергия, 1972.-528 с. 12. Капцов Н.А. Электроника. - М.: Гостехиздат, 1954.-470 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Спосіб активації молекул-реагентів реакції горіння, в якому молекули-реагенти реакції горіння дією зовнішніх енергетичних чинників переводять на метастабільні рівні збудження, який відрізняється тим, що активовані молекули потрапляють до місця спалювання при умові знаходження їх на метастабільних рівнях збудження з часом релаксації рівним або більшим за час транспортування від місця активації до місця спалювання, на відміну від активованих молекул, які знаходяться на резонансних рівнях збудження з часом релаксації меншим, ніж час 2 UA 73691 U їх транспортування від місця активації до місця спалювання, і до місця спалювання молекули надходять в неактивованому стані. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3