Спосіб та пристрій одержання електроенергії

1. Спосіб одержання електроенергії шляхом створення потоку низькотемпературної плазми в реакторі під час нагріву плазмоутворюючої речовини за допомогою іскрового розряду, який спричиняється діянням електромагнітного поля на суміш частинок плазмоутворюючої речовини та дисперсного металевого наповнювача, спрямовування потоку плазми крізь вихідний шлюз реактора в магнітне поле і розділення цим полем різнорідно заряджених частинок плазми та уловлення їх збираючими електродами, який відрізняється тим, що створюють плазму в металевому реакторі діянням електромагнітного поля на суміш частинок плазмоутворюючої речовини і частинок металів та оксидів металів, металевий реактор заздалегідь виготовляють у вигляді еліпсоїда обертання з вхідними та вихідними шлюзами, розташовують фазовий центр мікрохвильового випромінювання в першому фокусі металевого реактора, концентрують електромагнітну енергію в другому фокусі еліпсоїда через відбиття її від металевої поверхні реактора, нагнітають під тиском повітря крізь вхідні шлюзи реактора в напрямку другого фокусу частинки плазмоутворюючої речовини і частинки металів та оксидів металів, які беруть у співвідношенні, що забезпечує накопичення зарядів на оксидній C2 2 (19) 1 3 розділення магнітним полем потоку різнорідно заряджених частинок плазми. Відомі різні способи та пристрої одержання електричної енергії через термічну іонізацію плазмоутворюючої речовини та через розділення потоку різнорідно заряджених частинок плазми магнітним полем. Способи частіше відрізняються технологічною операцією нагріву плазмоутворюючої речовини. Спосіб одержання електроенергії згідно опису (Советский энциклопедический словарь. Изд-во «Советская энциклопедия». - Москва. - 1982. - с. 750), (И.И. Борнацкий. Основи физической химии. Изд-во «Металлургия». - Москва. - 1989. - с. 4446), шляхом безпосереднього перетворення магнітним полем енергії низькотемпературної плазми в електричну енергію, яку отримують під час нагріву суміші повітря, аргону та одновалентних лужних металів, які мають низький потенціал іонізації, шляхом спалювання газу чи нафтопродуктів або нагріву суміші за допомогою електричного струму високої частоти. Недоліком цього способу є надто великі втрати енергії для іонізації плазмоутворюючої речовини, коли потрібно досягнути високу ступінь іонізації при заданому рівні тиску в об'ємі плазмоутворюючої речовини. Пристрій одержання електричної енергії за допомогою магнітогідродинамічного генератору («Советский энциклопедический словарь». Изд-во «Советская энциклопедия». - Москва, - 1982. - с. 1020, с. 750), який містить джерело потоку низькотемпературної плазми, джерело магнітного поля, вхід якого з'єднаний з виходом джерела потоку низькотемпературної плазми. Ліворуч та праворуч вздовж джерела магнітного поля розташовані збираючи електроди. Джерело потоку низькотемпературної плазми містить плазмотрон для створення дуги електричного розряду. Вихід плазмотрону з'єднаний з входом джерела магнітного поля, а вхід плазмотрону з'єднаний з виходом канала для нагнітання плазмоутворюючої речовини, вхід цього канала з'єднаний з вентилятором для нагнітання речовини під тиском. Недоліком цього пристрою є низька ефективність виробництва плазми та звичайно великі витрати енергії для її створення, в зв'язку з необхідністю ініціювання і підтримання дуги електричного розряду у плазмотроні. З відомих способів та пристроїв одержання електроенергії шляхом безпосереднього перетворення енергії плазми в електричну найбільш близьким за технологічною суттю та технічною реалізацією до пропонуємого є спосіб та пристрій, реалізований в магнітогідродинамічному генераторі («Советский энциклопедический словарь», изд-во Сов. энциклопедия. М.: 1982, с. 750) з застосуванням способу отримання просторової плазми (патент України №64061А від 16.02.2004. Бюл. №2, 2004 р). Отримання просторової плазми згідно цьому способу отримання плазми здійснюється додаванням в об'єм простору плазмоутворюючої речовини під тиском повітря високодисперсного металевого наповнювача у вигляді гомогенної суміші алюмінію та магнію з однаковими ваговими 93080 4 частинами, кожна з яких дорівнює одній ваговій частині на три-чотири вагових частин плазмоутворюючої речовини, після чого вмикають концентроване мікрохвильове випромінювання, яке спрямоване на цей простір і дорівнює приблизно одному кіловольту на міліметр. Таким чином, викликають іскровий розряд в об'ємі речовини, спалювання металевого наповнювача і спричиняють, через нагрів цієї речовини, нерівновагові плазмоутворення. В магнітогідродинамічному генераторі енергія електропровідного середовища, тобто низькотемпературної плазми, створюється у реакторі і спрямовується в магнітне поле, де безпосередньо перетворюється в електричну енергію. Під дією магнітного поля у плазмі здійснюється просторове розділення різнорідно заряджених частинок, які уловлюються збираючими електродами. Таким чином, між електродами виникає різність потенціалів та електричний струм у зовнішньому ланцюзі (у навантаженні) і здійснюється безперервне одержання електричної енергії. Недоліком прототипу є низька екологічність, тобто електромагнітна безпечність способу під час отримання просторової плазми, а також незадовільна інтенсивність одержання електроенергії через низьку інтенсивність плазмоутворення в реакторі, у зв'язку зі слабкою концентрацією електромагнітного поля в просторі суміші частинок плазмоутворюючої речовини і частинок металів та в зв'язку з технічними труднощами забезпечення потрібної швидкості переміщення потоку плазми в магнітному полі. Все це не забезпечує необхідний рівень екологічності та інтенсивності процесу одержання електроенергії. Задачею, на рішення якої спрямований даний винахід, є така зміна технології та засобів одержання електроенергії, в даному випадку, через більш ефективне і екологічно безпечне плазмоутворення, при яких створюють потік плазми в металевому закритому реакторі, шляхом діяння висококонцентрованого електромагнітного поля на суміш частинок плазмоутворюючої речовини і частинок металевого наповнювача та його оксидів в цьому реакторі, який виготовляють заздалегідь у вигляді еліпсоїда обертання з вхідними та вихідними шлюзами, розташовують фазовий центр мікрохвильового випромінювання в першому фокусі металевого реактору і концентрують електромагнітну енергію в другому фокусі. Таким чином, рівень концентрації електромагнітного поля в об'ємі загальної суміші частинок збільшується в десятки разів. В цей об'єм нагнітають під тиском повітря через вхідні шлюзи реактора в напрямку другого його фокусу плазмоутворюючу речовину і частинки металів та оксидів металів. Для рішення цієї задачі в відому технологію одержання електроенергії шляхом створення низькотемпературної плазми в реакторі через нагрів плазмоутворюючої речовини за допомогою іскрового розряду, який спричиняється діянням електромагнітного поля на суміш частинок плазмоутворюючої речовини та дисперсного металевого наповнювача, спрямовування потоку плазми крізь вихідний шлюз реактора в магнітне поле і розділення цим полем різнорідно заряджених частинок 5 плазми та уловлення їх збираючими електродами, згідно винаходу, створюють плазму в металевому реакторі діянням електромагнітного поля на суміш частинок плазмоутворюючої речовини і частинок металів та оксидів металів, металевий реактор заздалегідь виготовляють у вигляді еліпсоїда обертання з вхідними та вихідними шлюзами, розташовують фазовий центр мікрохвильового випромінювання в першому фокусі металевого реактору, концентрують електромагнітну енергію в другому фокусі еліпсоїда через відбиття її від металевої поверхні реактору, нагнітають під тиском повітря крізь вхідні шлюзи реактору в напрямку другого фокусу частинки плазмоутворюючої речовини і частинки металів та оксидів металів, які беруть у співвідношенні, що забезпечує накопичення зарядів на оксидній поверхні металевих частинок під час діяння концентрованого електромагнітного поля, забезпечують, через рівень тиску повітря і рівень потужності мікрохвильового випромінювання, через склад плазмоутворюючої речовини та концентрацію металевих і оксидних частинок, безперервний об'ємний іскровий розряд у суміші частинок і спалення частинок металів та оксидів металів, з метою постійного об'ємного нагріву потока плазмоутворюючої речовини, і спричиняють нерівновагові плазмоутворення в оточенні другого фокусу еліпсоїда обертання та в потоці плазми крізь вихідний шлюз реактору в зовнішнє магнітне поле. В пристрій одержання електроенергії, який містить реактор плазмоутворення з вхідним каналом подавання плазмоутворюючої речовини, вентилятором, вхідним і вихідним шлюзами, випромінювач, мікрохвильовий генератор, вихід якого з'єднаний з входом випромінювача, джерело магнітного поля розділення зарядів та збираючи електроди, які розташовані ліворуч і праворуч вздовж джерела магнітного поля, вхід якого з'єднаний з вихідним шлюзом реактора, згідно винаходу, введені додаткові вентилятор, вхідний шлюз і вхідний канал подавання частинок металів та їх оксидів в металевий реактор, який має форму еліпсоїда обертання, витягнутого вздовж осі обертання, випромінювач, уставлений в металевий реактор з боку вершини еліпсоїда обертання, що має вихідний шлюз у іншій вершині еліпсоїда, розкрив випромінювача розташований у першому фокусі еліпсоїда, перпендикулярно його поздовжній осі в напрямку на другий фокус еліпсоїда, вхідні шлюзи подавання в металевий реактор частинок плазмоутворюючої речовини і частинок металів та оксидів металів розташовують в металевому реакторі в його середній частині діаметрально протилежно та спрямовують своїми осями у другий фокус еліпсоїда. Приклад реалізації пропонованого способу та пристрою. З метою поліпшення екологічності і підвищення інтенсивності процесу одержання електроенергії згідно способу, який пропонується, необхідно розв'язати наступні технологічні задачі: - визначити потрібну довжину металевого реактора, яка забезпечує накопичення електромагнітної енергії мікрохвильового генератора в цьому реакторі після її випромінювання з розкрива випромінювача; 93080 6 - збільшити концентрацію електромагнітного поля в зачиненому металевому реакторі, наприклад, в 10 разів в порівнянні з прототипом; - нагнітати в камеру крізь її вхідні шлюзи під потрібним тиском повітря плазмоутворюючу речовину і суміш металевих частинок та оксидів металів; - забезпечити потрібний рівень напруженості електромагнітного поля для ініціювання іскрового пробою між частинками суміші, з метою запалювання металевих частинок та частинок простих оксидів металу, що призводить до нерівновагової іонізації плазмоутворюючої речовини; - забезпечити високу концентрацію електричних зарядів, які накопичуються в заданому об'ємі середовища за деякий час в оточенні другого фокусу еліпсоїда-реактора через діяння електромагнітного поля. Під час обгрунтування реалізації цих задач доцільно розглянути лише технологічні ознаки, які властиві винаходу і відсутні в прототипі. Потрібну довжину В1В2 металевого реактора, яка забезпечує накопичення електромагнітної енергії мікрохвильового генератора в цьому реакторі після її випромінювання з розкриву випромінювача (Фіг.) можливо визначити з допомогою рівняння F1B2+В2В1+В1F1=2В1В2=n·,  В1B2=n·/2 (1) Приклад. =0,12м, n=16  В1В21,0м. Збільшення концентрації електромагнітного поля в зачиненому металевому реакторі, наприклад, в 10 разів і більш в порівнянні з прототипом, в якому це здійснюється лише за допомогою випромінювача, наприклад, конусоподібного типу, доцільно визначити шляхом порівняння питомих (об'ємних) щільностей потужностей електромагнітного поля (рп і рв) в просторі деякої сфери радіуса r (для прототипа) та в оточенні другого фокусу еліпсоїда обертання (для винаходу), коли сфера та еліпсоїд мають однакові об'єми, тобто 4r3/3=4аbс/3, де а,b,с - полуосі еліпсоїда. Вважаємо, що мікрохвильові генератори мають потужність Ρ і також не відрізняються. Випромінювач прототипу має розкрив 2г, а випромінювач винаходу має розкрив, який дорівнює, наприклад, /2. Згідно фокальній властивості еліпсоїду, випромінювання з першого фокусу еліпсоїду синфазно складаються в другому фокусі, а зсування випромінювання з першого фокусу викликає подібне зсування точки синфазного складання з другого фокусу. Тому (з урахуванням принципу Гюйгенса) можливо вважати, що діаметр оточення другого фокусу (де електромагнітна енергія концентрована) в металевому реакторі є співрозмірним з діаметром розкриву (/2) випромінювача у складі пристрою винахода. Тоді збільшення питомої (об'ємної) щільності потужності для винаходу відносно прототипу дорівнює рв:рп=Ρ/{[4/3](/4)3}:Ρ/{4r3/3}=r:/4=(abc)1/3:/4 (2) Приклад, r=(abc)1/3=(0,35·0,5·0,35)1/3=0,4 =0,12 м.  рв:рп13. м; 7 93080 Для нагнітання в камеру плазмоутворюючої речовини і суміші металевих частинок та оксидів металу доцільно забезпечити компромісний рівень тиску Fш повітря у вихідному шлюзі з діаметром d металевого реактора. З одного боку, він повинен перевищувати тиск повітря Fo, який створюють вентилятори на площину (/4)2 поперечного перетину оточення другого фокусу металевого реактора в декілька {m=(/4)2/[(d/2)2]=(/d)2/4)} разів. З іншого боку, тиск повинен створювати таку швидкість потоку плазми vq в магнітному полі з напруженностю Н, яка забезпечує процес своєчасного розділення різнополярних зарядів з силою, яка перпендикулярна векторам швидкості vq і магнітної індукції (H+4J) та дорівнює, згідно формулі X. Лоренца f=-(e/cc)[vqx(Η+4J)], де e,vq - заряд і швидкість частинки, сс - швидкість світла в вакуумі, J намагніченість середовища. Накопичення зарядів здійснюється на збираючих електродах, яки мають довжину L та відстань між ними Y. Таким чином, умови для сили тиску повітря під час нагнітання речовини і суміші інших частинок в металевий реактор мають вигляд FпFш(f,vq,L,Y)/[(/d)2/4] (3) За умовою накопичення зарядів, як правило, в середній частині довжини електродів L, коли в потоці плазми завжди міститься nq заряджених частинок з масою mе, залежність рівня тиску Fш повітря від параметрів f,vq,L,Y, має вигляд Fш=[(Lf/vq)4/(2Ynqme)2+(2vq2menq/L)2-f2]1/2 (4) Забезпечення потрібного рівня напруженості електромагнітного поля для ініціювання іскрового пробою між: частинками здійснюється далі за наступними умовами. При взаємодії НВЧ-поля з металевими частинками на поверхні частинок виникає поверхневий струм, який призводить до електростатичної зарядки поверхневої окисної плівки, яка завжди вкриває ці дисперсні частинки. Заряди на оксидній поверхні металевих частинок при достатній потужності НВЧ-поля у плазмоутворюючому середовищі, яка створена попередньо, можуть призводити до виникнення електричного іскрового розряду, за допомогою якого стає можливим ініціювання запалювання металевих частинок. З іншого боку, їх горіння в НВЧ-полі безумовно призводить до горіння (до додаткового окислення) частинок оксидів металу і як наслідок до нерівновагової іонізації частинок плазмоутворюючої речовини. Оцінювання критичного рівня напруженості електричного поля Екр доцільно здійснювати, виходячи з умови, при якій припускається, що при Екр вільний електрон на відстані середньої довжини вільного пробігу набуває енергії, яка дорівнює потенціалу іонізації молекули. З іншого боку, фактична напруженість поля Е в об'ємі оточення другого фокусу, яке має радіус /4, повинна бути більшою або дорівнювати її критичному рівню. 8 E PTn 1 W  E кр RarctgD 0 / 2R 2 (5) де Ρ - середня потужність джерела випромінювання електромагнітних коливань; W - хвильовий опір плазмоутворюючої речовини і суміші частинок металів та їх оксидів;  і Тn - тривалість і період проходження імпульсів; R - відстань до джерела випромінювання; Do - діаметр хмари плазмоутворюючого середовища, узгоджений з діаметром (/2) поперечного перетину оточення другого фокусу еліпсоїда обертання (металевого реактора). При іскровому нагріваючому впливі НВЧ-поля на плазмоутворююче середовище з додаванням металевого порошку, кінетичну енергію найшвидкіших молекул можна порівняти з енергією зв'язку електронів в атомах цього середовища, тому починається іонізація газу. Довільне розділення зарядів в цих утвореннях можливе, як відомо, лише за умови, що робота проти електричного поля, яку потрібно при цьому здійснити, є меншою, ніж теплова енергія частинки, оскільки у вказаних утвореннях електростатична взаємодія є настільки великою, що свавільне розділення зарядів є можливим лише в тих областях, які за розміром порівнянні з дебаєвським радіусом D. Енергія електростатичного поля плазмового утворення, як відомо, має вигляд: q2 We   2S / d 3 2 D) 2  2  S   / 10D e 2  (n  S 3 10e  n  S  D 3 2  2 2 (6) 2 де q - заряд частинок; S - площа шару нерівновагової області;  - діелектрична проникливість; n - концентрація електронів; e - заряд електрона; d - відстань між шарами нерівновагової області плазмоутворюючої хмари. У прикладі відстань між шарами нерівновагової області обрана 10D. Повна теплова енергія W усіх частинок цієї області через напруженість електричного поля, яка дорівнює Е, має таку залежність W  S  10D  3k  2 E  t0 2 (7) де  - питома електропровідність середовища; t0 - час впливу НВЧ-поля; k - коефіцієнт теплоізоляції процесу. Дорівнюючи (6) і (7) у відповідності із законом збереження енергії, отримуємо критичне значення напруженості електричного поля, яке дорівнює Εkp=neD[2ktο]-1/2 (8) 9 де n,,,tο - параметри, якими можна керувати під час реалізації плазмоутворення згідно способу, який пропонується. Для забезпечення високого рівня концентрації електричних зарядів в потоці плазми доцільно визначити необхідну концентрацію суміші усіх частинок (плазмоутворюючої речовини, металів та оксидів металів) в об'ємі 4(/4)3/3 оточення другого фокусу металевого реактора. Приклад. Плазмоутворюючу речовину складають: О2 - 20%; N - 70%; Н2О - 0,1%; Ar - 9,7%; K 0,1%; Na - 0,1%, які мають вагові щільності (кг/м3): О2 - 1,43; N - 1,25; Н2О - 103; Ar- 1,78; K - 0,86·103; Na - 0,97·103. Металеві частинки, наприклад, ΑΙ і Mg та їх оксиди АlO і MgO, мають симетричну форму з діаметром 10-6м, які мають щільність (кг/м3): 2,7·103; 1,739·103; 2,065·103; 1,585·103; відстань між частинками, наприклад, в 20 разів є більшою, ніж їх діаметр. Також можливо застосування заліза Fe та оксиду FeO. Тоді концентрація плазмоутворюючої речовини повинна дорівнювати (кг/м3): =1,43·0,2+1,25·0,7+103·103 +1,78·0,097+0,86·103·10-3+0,97·103·0,001=4,16. Маса (середня) одній металевої частинки дорівнює mом=(2700+1739)4(10-6/2)3/(2·3)=1,16·10-15 кг. Кількість металевих частинок, наприклад, в одному м3, дорівнює nм=[4(20·10-6/2)3/3]-13·1015. Тоді концентрація металевих частинок повинна дорівнювати (кг/м3): =1,16·10-15x3·1015=3,5. Маса (середня) одній частинки оксиду метала дорівнює moo=(2065+1585)4(10-6/2)3/(2·3)=0,95·10-15 кг. Кількість частинок оксидів металів в одному м3 дорівнює nо=[4(20·10-6/2)3/3]-13·1015. Тоді концентрація частинок оксидів металів повинна дорівнювати (кг/м3): =0,95·10-15х3·1015=2,85. В цілому, в одному м3 повітря крізь один вхідний шлюз реактору необхідно нагнітати близько 4кг плазмоутворюючої речовини, а крізь другий вхідний шлюз в одному м3 повітря - близько 6кг гомогенної суміші частинок металів та оксидів металів. Пристрій, який реалізує пропонований спосіб, та наведений приклад, зображено на Фіг. 93080 10 Пристрій, Фіг., містить: металевий реактор 1 з вхідним каналом 2 подавання частинок плазмоутворюючої речовини, вентилятором 3, вхідним 4 і вихідним 5 шлюзами, випромінювач 6, мікрохвильовий генератор 7, вихід якого з'єднаний з входом випромінювача 6, джерело 8 магнітного поля розділення зарядів та збираючи електроди 9 і 10, які розташовані ліворуч і праворуч вздовж джерела 8 магнітного поля, вхід якого з'єднаний з вихідним шлюзом 5 металевого реактора 1. В пристрій введено: додаткові вхідний канал 11, вентилятор 12 і вхідний шлюз 13 подавання частинок металів та оксидів металу в металевий реактор 1, який має форму еліпсоїда обертання, витягнутого вздовж осі В1В2 обертання, випромінювач 6 введений в металевий реактор 1 з боку вершини В і еліпсоїда обертання, що має вихідний шлюз 5 в іншій вершині В2 еліпсоїда, розкрив випромінювача 6 розташований у першому фокусі F1 еліпсоїда, перпендикулярно його поздовжній осі В1В2 в напрямку на другий фокус F2 еліпсоїда, вхідні шлюзи 2 та 11 подавання в металевий реактор 1 плазмоутворюючої речовини і частинок металів та оксидів металу введені в металевий реактор 1 в його середній частині діаметрально протилежно в оточенні D1, D2 та спрямовані своїми осями у другий фокус F2 еліпсоїда. Застосування пристрою одержання електроенергії забезпечує всебічне концентроване діяння електромагнітної енергії мікрохвильового генератора 7 крізь розкрив випромінювача 6, розташований в оточенні фокусу F1 в цілком закритому металевому еліпсоїдальному реакторі 1 у середовище в оточенні фокусу F2 металевого реактора 1, а саме: на частинки плазмоутворюючої речовини, які під тиском повітря подають з каналу 2 з допомогою вентилятора 3 крізь вхідний шлюз 4; на суміш частинок металів та оксидів металу, які під тиском повітря подають з каналу 11 з допомогою вентилятора 12 крізь вхідний шлюз 13. Діяння електромагнітного поля після його випромінювання з розкриву випромінювача 6 забезпечує накопичення зарядів в оксидах на поверхні частинок металів, що спричиняє іскровий розряд в оточенні другого фокусу F2 еліпсоїда-реактора 1, що викликає спалення частинок металів та оксидів металів, яке спричиняє іонізацію частинок плазмоутворюючої речовини. Потік плазми під тиском повітря крізь вихідний шлюз 5 реактору 1 потрапляє в магнітне поле джерела 8, який розділяє різнорідні заряджені частинки потоку плазми і спрямовує їх за допомогою сили Лоренца в напрямку збираючих електродів 9 і 10. Так на електродах 9 і 10 створюється різниця електричних потенціалів. Всі ці особливості пристрою створюють можливість реалізувати спосіб більш екологічного та більш ефективного в порівнянні з прототипом одержання електроенергії без застосування дефіцитного органічного палива. Пропонований спосіб та пристрій, за рахунок цих суттєвих ознак, в цілому, забезпечує: а) інтенсивне накопичення різнорідних зарядів в оксидних плівках металів і в оксидах металів; б) безперервний і потужний іскровий розряд в металевому реакторі 1, спалення частинок металів 11 93080 і оксидів металів та як наслідок всебічний об'ємний нагрів плазмоутворюючої речовини; в) інтенсивне нерівновагове плазмоутворення; г) швидкий рух заряджених частинок в потоці плазми крізь вихідний шлюз 5 реактора 1 в магнітному полі; д) екологічно безпечне та інтенсивне одержання електроенергії через застосування палива (металів та оксидів металів) неорганічної природи і Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 12 плазмоутворення в зачиненому металевому реакторі. Таким чином, досягнення технологічного результату за допомогою пропонованого способу та пристрою, який реалізує цей спосіб, що характеризується сукупністю його суттєвих ознак, а також можливість реалізації способу уявляються обгрунтованими. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601