СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ЭНЕРГИИ ИЗ ЭНЕРГОПЛОТНЫХ ВЕЩЕСТВ ПРИРОДНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ГАЗОВЫХ ПРИБОРАХ И ГОРЕЛКАХ

Изобретение относится к способам получения тепловой энергии.

Известны способы получения тепловой энергии из органических веществ в виде углеводородов посредством организации процесса горения - быстрого окисления топлива в высокотемпературной области (Г.Ф. Кнорре, К.М. Арефьев, А.Г. Блох, Е.А. Нахапетян, И.И. Палеев, В.Б. Штейнберг. Теория топочных процессов М.-Л.: Энергия, 1966, с. 5) [1]. При этом способе процесс горения как цепная разветвляющаяся (самоускоряющаяся) реакция возникает после появления в горючей смеси единичных активных центров - молекул веществ со свободными валентностями - и начинает внешне проявляться только по накоплении достаточной концентрации этих центров. После этого следует возникновение фронта воспламенения или объемный взрыв (с. 6-7) [2]. Активные центры в данном случае создаются введением в готовую или образующуюся смесь зажженного факела, раскаленного тела или электрической искры. При этом теплотворная способность составляет в среднем: у мазута 40 кДж/г, углей - от 7 до 27 кДж/г, торфа - от 7 до 10 кДж/г, горючих сланцев - 10,5 кДж/г, кокса - от 26 до 29,5 кДж/г, сухих природных газов - от 23 до 41 МДж/м³, искусственных (генераторные газы из кусковых углей; водяные газы из кокса) газов - от 5,5 до 26,5 МДж/м³, бензина, керосина, дизельного топлива - 3,75 МДж/м³.

Другим возможным источником тепловой энергии является вода. Процесс получения энергии из воды может происходить, например, в кавитационных энергоустановках (патент РФ №2054604, 1996) [3]. Разрушение молекул воды в них происходит в процессе схлопывания пузырьков водяного пара. В результате энерговыделение при использовании воды в качестве источника энергии составляет в действующих установках 10-20 кДж/г.

Следующим шагом в получении энергии из различных веществ является использование природных минеральных материалов в качестве интенсификаторов массообменных процессов при горении (Патент РФ №2129461, 1999) [4]. В процессе горения топлива частицы этих материалов выступают в качестве активных центров, стимулируя процесс горения основного топлива и увеличивая полноту его сгорания.

Примером такого способа, использующим природную соль NaCl, является патент (Патент РФ №2011116) [5].

Изобретение предназначено для использования в топках для сжигания кускового твердого топлива и состоит в том, что на раскаленную поверхность твердого топлива периодически подают поваренную соль в кристаллическом виде равномерно в количестве 7 - 8 г на 1 м² зеркала горения в целях повышения качества сжигания топлива. Результат изобретения заключается в том, что при добавлении поваренной соли через 5 мин в количестве 30 г на 1 порцию топлива трудозатраты сократились на 50% за счет уменьшения вдвое расхода топлива, уменьшения объема шлака в 2,5 раза и уменьшения количества подач топлива. Выделение сажи с дымом не происходило (достигнута полнота сгорания топлива).

Недостатком данного изобретения является то, что вводимый в основное топливо материал улетучивается вместе с отходящими газами и требует постоянного возобновления.

Дальнейшим развитием данного направления является способ герметизации энергоплотного вещества природного происхождения (Патент РФ №2237216, 2004) [6] при воздействии на него тепловых потоков.

Основной задачей указанного изобретения является задача снижения расхода традиционных топлив и затрат на его транспортировку потребителям. Поставленная задача решается за счет способа получения энергии из минеральных веществ природного происхождения, при этом в одном из вариантов ионизация минерального вещества производится тепловым потоком от сгорания органического топлива непосредственного без контакта с факелом органического топлива. В качестве минеральных веществ используют вещества, у которых величина объемной удельной энергии атомизации не ниже 60 кДж/см³.

При этом величина энергии, выделяемой в данном процессе, ограничивается верхним пределом, равным величине удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов - W_i (В.В. Зуев. Закономерная связь физических свойств минералов и других твердых кристаллических тел с их энергией сцепления атомных остовов и связующих электронов. Обогащение руд, №5, 2002, с. 42-47) [7], (В.В. Зуев и др. Закономерная связь величин, характеризующих физические свойства кристаллических твердых тел, с величинами удельной энергии сцепления атомных остовов и связующих электронов. Научное открытие. Диплом №204) [8]. При этом данная величина определяется по отношению к массе или объему конкретного вещества. Для нерудных минералов эта величина в среднем находится в пределах от 500 кДж/т (для ангидрита) до 780 кДж/г (для серпентинита и каолинита).

Технический результат данного изобретения - организация процесса энерговыделения из минеральных веществ природного происхождения, обладающих высокой энергоплотностью, при совместном применении минеральных веществ и органических топлив, дающего значительную прибавку теплотворной способности смеси за счет дополнительно получаемой энергии и повышения полноты сгорания традиционного топлива иллюстрируется следующим примером бесконтактного способа энерговыделения, когда одна порция минерального вещества может использоваться длительное время за счет циклического процесса выделения внутренней энергии и нового поглощения энергии свободных фотонов атомами минерального вещества.

Организован бесконтактный процесс горения в калориметре. Испытания проводились в паре бытовой газ - серпентинит. При разных объемах минерального вещества энерговыделение составило от 440 кДж/г до 570 кДж/г.

Недостатком данного изобретения является то, что способ бесконтактного отбора энергии из высокоэнергоплотных веществ реализован только в идеальных условиях физического прибора. При этом возможность длительного процесса не показана, а устройство для отбора энергии для реальных энергетических установок не описано.

В качестве прототипа принят способ получения энергии из минеральных веществ природного происхождения [6] при воздействии на него тепловых потоков.

Технический результат изобретения [6] - значительные величины выделения энергии из минерального вещества при однократном сжигании топлива в калориметре.

Однако на практике ставится задача обеспечения непрерывного получения дополнительной энергии из одной порции минерального вещества на типовых бытовых и промышленных газовых приборах и горелках.

Ни ранее рассмотренные патенты [5], ни прототип [6] не могут кардинально решить поставленную задачу.

Поставленная в основу изобретения задача решается за счет способа отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения и устройства для осуществления способа.

Способ отбора энергии из минеральных веществ природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, включает ионизацию минерального вещества тепловым потоком от источника тепловой энергии без непосредственного контакта вещества с источником тепловой энергии, причем теплоту, необходимую для ионизации минерального вещества, подводят через некоторую преграду путем ее разогрева источником тепловой энергии, например, металлической пластины, при этом минеральное вещество в виде порошка равномерно тонким слоем располагают на поверхности пластины, а порошок из минерального вещества дополнителбнс герметизируют.

Устройство для осуществления способа содержащее источник тепловой энергии, порошок минерального вещества природного происхождения с объемной удельной энергией атомизации не ниже 50 кДж/см³ и дисперсностью порошка менее 50 мкм, расположенный на металлической подложке, выполненной ввиде первой пластины, на первой стороне которой размещен тонкий слой порошка, а вторая контактирует с источником тепловой энергии, дополнительно содержит вторую металлическую пластину, расположенную над первой стороной первой пластины, при этом первая и вторая пластины по их периметру соединены между собой с возможностью образования между ними герметичного объема, внутри которого на первой пластине расположен тонкий слой порошка минерального вещества.

При этом пластины выполнены из дисков, сваренных между собой по периметру дисков с выступающей окантовкой.

Конструкция устройства иллюстрируется фигурой 1, где обозначены: верхняя пластина, герметично закрывающая равномерно распределенный слой природного минерального материала 2, лежащий на нижней пластине 3, расположенной над газовой горелкой. На устройстве показана державка 4 для крепления его, в случае необходимости, на других частях газового прибора.

Эффект от применения изобретения представлен на фигуре 2, где приведены результаты использования устройства с разными навесками минерального вещества на газовой горелке при нагреве мерного объема воды. Из рисунка видно, что при наличии минерального вещества в устройстве время нагрева мерного объема воды снижается с 30 минут до 23 минут. При этом эффект тепловыделения является продолжительным и устройство используется непрерывно.

Приведенные примеры показывают, что заявленный способ позволяет получать значительную дополнительную величину энерговыделения от одной порции минеральных веществ при использовании органического топлива как инициатора процесса энерговыделения, а устройство, реализующее данный способ, обеспечивает существенное сокращение расхода органического топлива при длительной работе с сохранением своих характеристик.