Спосіб підвищення ефективності паливних установок

Реферат: Спосіб підвищення ефективності паливних установок включає переведення молекул-реагентів у збуджений енергетичний стан. Для збудження молекул-реагентів використовують ультрафіолетове випромінювання короткохвильового діапазону з енергією квантів, достатньою для активації молекул-реагентів, отриманого від ртутно-наповнених пальників газорозрядних ламп високого тиску. UA 107375 U (12) UA 107375 U UA 107375 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до галузі теплоенергетики і може використовуватись в установках для спалювання різних видів палива. Відомий аналог (патент RU № 2058510, опубл.20.04.96, бюл. МПК F24F 3/16. Способ ионизации воздуха и газов), який включає підготовку до спалювання окислювача шляхом дії на нього електричним розрядом, створюваним 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. Основним недоліком даного способу є потреба у генераторі високої частоти і наявність високої напруги, що суттєво ускладнює його технічну реалізацію. Відомий спосіб підготовки окислювача (повітря) до спалювання та пристрій для його здійснення (патент № 24193, МПК F23C 99/00. Спосіб підготування окислювача до спалювання та пристрій для його здійснення, опубл. 30.10.1998, бюл. № 5), який полягає у дії на окислювач високої напруженості від неоднорідного стаціонарного електричного поля. До недоліків вказаного способу слід віднести дію неоднорідного стаціонарного електричного поля лише на окислювач, що значно знижує позитивний ефект від його застосування. За прототип вибраний спосіб підвищення енергетичної ефективності паливних установок на вуглеводневому паливі, який полягає в активації обох компонентів реакції горіння перед спалюванням шляхом дії на них високовольтним пульсуючим нерівномірним електричним полем високої напруги з частотою імпульсів 100-120 Гц (патент № 37572, МПК F23C 99/00. Спосіб підвищення ефективності паливних установок на вуглеводневому паливі та пристрій для його реалізації, опубл. 10.12.2008, бюл. № 23). До недоліків вказаного способу належить необхідність використання складного електричного обладнання, а саме генераторів нерівномірного електричного поля високої напруги. Пропонований спосіб позбавлений вказаних вище недоліків. Задача корисної моделі полягає у підвищенні ефективності паливних установок шляхом активації обох компонентів реакції горіння при використанні джерела ультрафіолетового випромінювання короткохвильового діапазону, що значно спрощує приладове забезпечення пропонованого способу, підвищує надійність та ефективність його застосування. Теоретичним підґрунтям пропонованого способу фотоактивації молекул-реагентів реакції горіння є закон Арреніуса. За цим законом, константа швидкості реакції пов'язана з енергією активації E , що характеризує енергетичний стан молекули, виразом: k  k0  e  Ea RT , (1) 35 де - k 0 - константа; R - газова стала, рівна 1,987 кал/град-моль; T - температура в градусах шкали Кельвіна; e - основа натуральних логарифмів. Після логарифмування і переведення натуральних логарифмів у десяткові визначення енергії активації молекул-реагентів проводиться за виразом 40 45 50 Ea  lg k 0  lg k 4,575 T , (2) Із виразу (2) видно, що енергія активації прямо пропорційно залежить від температури. Активацію молекул можна здійснити за допомогою підвищеної температури - термоактивація. Підвищення температури збільшує рухливість молекул, що призводить до зростання їх кінетичної енергії. А це збільшує імовірність переведення молекул-реагентів у збуджений стан. При цьому частина теплової енергії, отриманої від спалювання палива, витрачається на активацію молекул-реагентів. Активація молекул-реагентів, крім термоактивації, може бути здійснена з допомогою інших джерел енергії. Тим самим, генерована паливною установкою теплова енергія буде збільшена на величину енергії активації молекул Ea  , отриманої від інших зовнішніх джерел. Прибавка теплової енергії при активації молекул-реагентів може бути розрахована за виразом: Ea  n  lg k 0  lg k   4,575T  W  b , (3) 1 UA 107375 U 3 5 де n - концентрація молекул, шт./м ; W - енергія активації від зовнішніх джерел, еВ; b коефіцієнт використання зовнішньої енергії молекулами-реагентами. Фотоактивація має місце при використанні ультрафіолетової частини спектру оптичного випромінювання і полягає у непружному зіткненні молекули і кванта світла. При цьому, для переходу електронів із стаціонарних енергетичних рівнів на рівні збудження енергія падаючого кванта Eк  повинна бути достатньою для активації молекули. Відомо, що енергія кванта Ек  h0 , 10 (4)   де h0 - стала Планка 6,626  10 34 Дж  с ;  - частота електромагнітної хвилі (Гц). Після переведення енергії кванта в еВ , вираз (3) при фотоактивації молекул запишеться у вигляді: Ea  lg k 0  lg k   4,575 T  15 де c 1,602  10 h0    c , b qe   (5) - швидкість поширення світла у вакуумі 19  3  10 м; 8 qe - заряд електрона к ;  - довжина хвилі оптичного випромінювання. Основні характеристики хвилі оптичного випромінювання для активації молекул кисню та основних компонентів традиційних газоподібних енергоносіїв приведені в таблиці 1. Таблиця 1 Параметри активації молекул вуглеводневого газового палива та основних компонентів повітря оптичним випромінюванням Молекула Метан Пропан Бутан Кисень Тип енергетичного рівня Синглетний Триплетний Синглетний Триплетний Синглетний Триплетний Синглетний Триплетний Енергія активації еВ 11,00 9,00 10,00 7,70 9,70 8,03 9,30 4,50 Дж/молекула -19 17,62·10 -19 14,42·10 -19 16,02·10 -19 12,34·10 -19 15,54·10 -19 12,87·10 -19 15,90·10 -19 7,21·10 Дж/моль 5 10,60·10 5 8,68·10 5 9,64·10 5 7,42·10 5 9,36·10 5 7,74·10 5 9,57·10 5 4,34·10 Частота світла, Гц 15 2,65·10 15 2,17·10 15 2,41·10 15 1,86·10 15 2,34·10 15 1,94·10 15 2,24·10 15 1,08·10 Довжина електромагнітної хвилі, нм 113 138 124 161 128 155 134 278 20 25 30 35 З таблиці 1 видно, що переведення вказаних молекул на синглетні енергетичні рівні проходить при дії на них ультрафіолетовим, так званим вакуумним ультрафіолетовим випромінюванням (ВУФ), з довжиною хвилі меншою за 200 нм. Переведення молекул пропану і бутану на триплетні енергетичні рівні можливе при використанні ВУФ в діапазоні довжин хвиль 155-161 нм, а кисню - ультрафіолетовим випромінюванням з довжиною хвилі 278 нм. Для переведення на триплетний рівень збудження найбільш енергетичного випромінювання з довжиною хвилі 138 нм вимагають молекули метану. Ультрафіолетове випромінювання з енергіями квантів, близькими до енергій, достатніх для переведення молекул вуглеводнів газоподібного палива і кисню на триплетні рівні, можна отримати з допомогою іскрових і дугових розрядів у відкритих джерелах, у закритих пальниках газорозрядних ламп високого тиску та за допомогою інших джерел. Смуга пропускання ультрафіолетового випромінювання в повітрі показує, що при нормальних умовах випромінювання з довжиною хвилі меншою за 180 нм практично не розповсюджується. Використання як джерела ультрафіолетового випромінювання закритих пальників газорозрядних ламп високого тиску тісно пов'язане із генеруванням випромінювання у газорозрядному середовищі всередині пальника і типом колби пальника, що визначає спектральну характеристику пропускання ультрафіолетових променів. Всередині герметичної 2 UA 107375 U 5 10 15 колби пальника електричний розряд проходить в розрідженому газовому середовищі одного або двох інертних газів та парів ртуті. Саме молекули ртуті є тим основним джерелом жорсткого ультрафіолетового випромінювання всередині пальника. За допомогою парів ртуті отримуємо наступні спектральні лінії, які використовуються в газорозрядних лампах і мають такі довжини хвиль: 184,95 нм, 253,65 нм, 365,02 нм, 404,66 нм, 435,83 нм, 546,07 нм і 578,2 нм. Найбільш інтенсивними лініями є 184,95 нм, 253,65 нм і 435,83 нм. Інтенсивність інших ліній залежить від параметрів розряду. Для виготовлення колби пальника газорозрядної лампи використовують як кварцове скло, так і спеціальну світлопроникну кераміку. Колби пальників, виготовлені з кварцового скла типу КУ-1, пропускають ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі аж до 170 нм. А це дає можливість використовувати ртутно наповнені пальники газорозрядних ламп високого тиску як джерела вакуумного ультрафіолетового випромінювання. Оцінка результатів експериментальних досліджень з підтвердження робочої гіпотези проводилася за часом нагріву 0,7 л води від 20 до 40 °C при дії на молекули-реагенти реакції горіння ультрафіолетового випромінювання і при звичайному протіканні процесу нагріву води. При проведенні першого експерименту використовувалася штучна вентиляція приміщення. В другому експерименті вентилювання приміщення не проводилося. Результати першого експерименту приведені в таблиці 2, а другого - в таблиці 3. Таблиця 2 Час нагріву води при звичайному протіканні процесу нагріву і при дії на молекули-реагенти УФ випромінювання і вентиляції приміщення Спалювання Без УФ З УФ 1 67 64 2 68 63 3 69 61 Варіант 4 71 62 5 69 58 6 68 64 7 67 60 t ср 68,43 61,71 20 25 З таблиці 2 видно, що при нагріві 0,7 л води з 20 до 40 °C, має місце суттєвий вплив ультрафіолетового випромінювання і активного вентилювання приміщення на підвищення ефективності спалювання природного газу в повітрі. Про суттєвість відмінностей результатів досліджень з ультрафіолетовим випромінюванням і без оптичної дії на молекули-реагенти свідчить те, що нульова гіпотеза при оцінці отриманих результатів не підтверджується, так як d>HIP05 (6,72>3,10). Таблиця 3 Час нагріву води при звичайному протіканні процесу нагріву і при дії на молекули-реагенти УФ випромінювання без вентиляції приміщення Спалювання Без УФ З УФ 30 35 1 74 57 Варіант 3 71 61 2 67 63 4 71 60 5 70 58 t ср 70,60 59,80 За результатами, приведеними в таблиці 3, видно, що час нагріву 0,7 л води від 20 до 40 °C в експерименті з УФ опроміненням суттєво менший за час нагріву без опромінення, бо нульова гіпотеза, при оцінці отриманих результатів в даному експерименті, не підтверджується, так як d>HІP05 (10,80>4,0). При використанні ультрафіолетового випромінювання і вентиляції приміщення спостерігається зменшення часу нагріву на 9,8 %, а при відсутності активного вентилювання приміщення зменшення часу нагріву склало 15,3 %. Порівняння результатів першого і другого експериментів показує, що при відсутності вентилювання приміщення спостерігається більш значне скорочення часу нагріву вказаного об'єму води, ніж в експерименті з активною вентиляцією приміщення. Пропонований спосіб реалізований за допомогою кварцових ртутнонаповнених пальників газорозрядних ламп високого тиску. 40 3 UA 107375 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Спосіб підвищення ефективності паливних установок, що включає переведення молекулреагентів у збуджений енергетичний стан, який відрізняється тим, що для збудження молекулреагентів використовують ультрафіолетове випромінювання короткохвильового діапазону з енергією квантів, достатньою для активації молекул-реагентів, отриманого від ртутнонаповнених пальників газорозрядних ламп високого тиску. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4