» » » Электроогневая технология сжигания - революция в энергетике и экологии

Электроогневая технология сжигания - революция в энергетике и экологии

Острота экологических проблем в мире нарастает, грозя перерасти в глобальную экологическую катастрофу. Главной причиной загрязнения атмосферы в больших городах является несовершенство технологий сжигания топлив, веществ, газов. Их вклад в загрязнение атмосферы планеты приближается к 70‑80%.

Современные методы решения экологических проблем базируются на анализе степени и источников загрязнения окружающей среды (экологическом мониторинге) и на очистке ее при превышении предельно допустимых концентраций токсичных веществ. К сожалению, пока методы измерения огромного спектра токсичных веществ, выделяемых в атмосферу при горении, а тем более способы их утилизации сложны, дороги и несовершенны. Причина в том, что борьба идет со следствиями, а не с причинами загрязнений.

Известно, что пока реальная эффективность преобразования химической энергии топлива в процессе горения низка. В тепловых двигателях она составляет около 25%, на теплоэлектростанциях не превышает 40%. А если учесть затраты энергии на добычу, переработку и доставку топлива потребителям, то суммарный КПД существующих огневых технологий составит не более 10‑15%! Это значит, что больше половины химической энергии топлива переходит в тепло и в разнообразные токсичные вещества, отравляющие атмосферу планеты, создающие кислотные осадки и глобальный «парниковый» эффект.

Таким образом, пока мы не найдем способ качественного преобразования химической энергии веществ в тепловую энергию, нам не решить экологические проблемы.

Нужен ли огню кислород?

Горение – одно из самых сложных явлений. С научной точки зрения горение – это цепная реакция последовательного дробления частиц топлива на все более мелкие заряженные радикалы. Это и физико-химические процессы преобразования химической энергии межмолекулярных связей, и физические процессы преобразования энергии на молекулярном и атомном уровнях в тепло и свет, и многие другие процессы, протекающие одновременно.

Со школьной скамьи известно, что горение – процесс взаимодействия топлива и окислителя с выделением тепловой и световой энергии, а также скрытой энергии химических связей отходящих газов. Процессы горения изучают и совершенствуют ученые и специалисты самых различных профилей (химики, физики, теплоэнергетики, теплофизики) Известны фундаментальные исследования цепных реакций горения, проведенные русскими учеными Н. Н. Семеновым, Я. Б. Зельдовичем и их последователями. Однако можно с уверенностью сказать, что процесс горения пока до конца не изучен. Иначе эффективность огневых технологий не была бы так низка.

До сих пор интенсивность горения топлива повышают преимущественно посредством воздушного дутья в зону горения, т. е. заведомо увеличивают объем отходящих токсичных газов в атмосферу.

Зададим несколько наивных на первый взгляд вопросов. Зачем вообще нужен для горения веществ окислитель (воздух или кислород)? Можно ли обойтись без традиционного окислителя? Как начинается и происходит процесс горения?

Таких неясных вопросов в физике горения очень много. Как, например, регулировать температуру и интенсивность горения? Можно ли управлять теплопроводностью пламени? Как упорядочить тепловое движение частиц в пламени, в нагретых отходящих газах – и к чему это приведет?

Есть и еще одна проблема. Это сами углеводородные топлива, используемые в современных тепловых процессах. Еще великий русский ученый Д. И. Менделеев афористически утверждал, что использовать нефть для сжигания это все равно, что топить печь денежными ассигнациями.

Поскольку углеводородные топлива являются сложными химическими веществами, а технологии сжигания пока несовершенны, то в процессе горения образуется целый «букет» попутных веществ и токсичных газов.

Известно, что идеальное топливо – это водород. Горение водорода в кислороде практически идеально чисто. Но пока технология получения водорода и кислорода дорогостоящая, а процесс его горения взрывоопасен, поэтому водородные тепловые машины и технологии не нашли массового применения, а в качестве топлив по‑прежнему применяют органические вещества и газы.

Суть технологии

Так как же сделать процесс сжигания углеводородного топлива экологически чистым?

Краткий ответ таков: необходимо создать такие условия горения органического топлива, ввести такой катализатор горения, при которых энергия химических межмолекулярных и внутримолекулярных связей органического топлива почтии полностью высвобождается. И превращается в энергию электромагнитного излучения, например в световую и тепловую энергию, без образования экологически вредных веществ и газов. После чего направленным и сконцентрированным электромагнитным излучением с использованием эффектов отражения и концентрации электромагнитных волн можно эффективно нагревать рабочее тело (например, воду) либо превращать электромагнитное излучение непосредственно в электроэнергию. В этом случае возникает возможность предельно снизить объем окислителя, т. е. сократить объем отходящих газов, образующихся в процессе горения органики.

Возможно ли в принципе такое «чистое» горение органических веществ, если использовать в качестве катализатора электрическое поле? Да, возможно, но при правильно выбранных параметрах этого поля. Точнее, если правильно «приручить» гигантские кулоновские силы электрического поля путем взаимодействия электрически заряженных частиц топлива, окислителя и отходящих газов с силовыми линиями электрического поля.

Описание устройства

Для осуществления этого способа горения содержит корпус с электроизолированными от него плоскими электродами. Электроды размещены на противоположных внутренних стенах камеры горения. Смеситель с устройством подачи топливной смеси в зону горения одновременно выполняет функцию электрического воспламенителя смеси. Воздушный тракт содержит активизатор окислителя, присоединенный по цепи управления к регулятору степени активизации, а воздуховодом – к смесителю. На конце воздуховода возможно размещение вихревого устройства. Имеется также топливный тракт, содержащий активизатор топлива и регулятор активизации и расхода топлива. Электрический активизатор горения содержит высоковольтный преобразователь напряжения и частоты, присоединенный по цепи управления к своему регулятору. Устройство снабжено датчиком токсичности газов, присоединенным на вход оптимизатора режима, который является системой управления для взаимосвязанного регулирования всех параметров горения.

Работает устройство следующим образом. Активизированный окислитель через воздушный тракт, активизатор и воздуховод подают в смеситель. Затем в тот же смеситель через топливный тракт и активизатор подают активизированное топливо. В смесителе готовят топливную смесь, которую распыляют и одновременно воспламеняют искрой. В камере горения пламя и отходящие газы обрабатывают сильным переменным электрическим полем, образованным в зазоре между электродами. В процессе горения пламени измеряют токсичность отходящих газов специальным датчиком токсичности. В зависимости от токсичности посредством оптимизатора режима регулируют параметры горения пламени – изменяют расход окислителя и степень его активизации, расход топлива и степень его активизации, напряженность и частоту переменного электрического поля в камере горения. Электрическое поле в камере горения, в зазоре между электродами, каталитически воздействует не только на факел пламени, но и на отходящие газы.

Сущность процесса в том, что в электрическом поле многократно ускоряются процессы дробления и окисления радикалов топлива и молекул токсичных окислов. В результате взаимосвязанного регулирования всех перечисленных выше параметров достигается более полное и интенсивное «чистое» сжигание любого топлива.

Исследования многогранного влияния электрического и высокочастотного электромагнитных полей подтвердили реализуемость таких практически идеальных условий горения топлива. В качестве катализаторов использовались маломощные постоянные и переменные электрические поля с напряженностью от 1 кВ/см и выше. А также электромагнитные высокочастотные поля малой мощности.

Форма факела пламени в электрическом поле разительно отличается от его формы при обычном горении. Факел становится почти плоским, что подтверждает повышение интенсивности сгорания веществ. Причем чем выше напряженность электрического поля, тем выше интенсивность горения и очистки токсичных газов.

Преимущества электроогневого сжигания

Из термодинамики известно, что в обычном процессе горения оптимальное соотношение массы окислителя (например, воздуха) и топлива составляет примерно 16:1. Исследования показали, что экологически чистое горение углеводородного топлива (мазута, солярки) в новой технологии достигается и при дефиците окислителя (например, при соотношении массы окислителя и топлива 1:1). Это означает, что есть реальная возможность снижения объема отходящих газов любых тепловых машин в 10‑15 раз при сохранении их прежней мощности. При этом опыты показали, что из состава отходящих газов вообще устраняются сажа и углеводороды. Содержание окисей углерода и азота снижается в 4‑8 раз, а светимость пламени увеличивается в 5‑10 раз. По сути, эксперименты подтвердили гипотезу о возможности эффективного экологически чистого горения в виде процесса прямого преобразования химической энергии органического топлива в энергию электромагнитного излучения факела пламени (включая тепловой и оптический диапазоны) с устранением экологически вредных токсичных компонентов в отходящих газах в результате многократной интенсификации процесса горения под действием электромагнитных катализаторов. Введенные в электроогневую технологию операции по регулированию активизации окислителей топлива обеспечивают дополнительное улучшение процесса горения, особенно при сжигании тяжелых топлив и водо‑топливных эмульсий.

Переменные электрические поля – основа процесса горения

Особенно эффективное воздействие на процесс горения оказывает обработка пламени сжигаемой активизированной топливной смеси переменным электрическим полем. Благодаря введению операции регулирования всех параметров горения (расхода топлива, окислителя, степени их активизации и интенсивности горения) удается достичь эффективного сжигания практически всех известных топлив и отходов. Опыты говорят также об эффективности сочетания операций обработки самого пламени, отходящих газов и воздуха (окислителя) переменным электрическим полем для качественной очистки отходящих газов. Сущность такой дополнительной очистки состоит в дроблении частиц сажи и дыма электрическими силами переменного поля, а также в доокислении некоторых токсичных веществ в среде озонированного окислителя.

Энергозатраты на активизацию горения пламени сильными электрическими полями малы и не превышают 1‑3 процентов от тепловой энергии факела пламени. Достоинством данного изобретения является также его универсальность: оно может быть применено при сжигании любых горючих веществ благодаря расширению диапазона регулирования параметров электрического поля (напряженности и частоты), особенно в режиме их взаимосвязанного регулирования. Сущность каталитического воздействия переменного электрического поля на процесс горения пламени состоит в эффективном разрыве дипольных радикалов топлива активизированным окислителем, а также в более активном перемешивании слоев горящего пламени с окислителем в силу устранения двойного электрического слоя на границе факела пламени.

Отметим также, что в опытах по сжиганию органических топлив в сильных электрических полях регулирование температуры факела пламени и его светимости достигалось при неизменном расходе топлива и окислителя с помощью изменения параметров электрополевого катализатора горения (напряженности и частоты) продольного электрического (электромагнитного) поля. Вращение и стабилизацию факела пламени получали поперечным вращающимся электрическим полем, а изменение высоты факела пламени осуществляли продольным электрическим полем.

Проведенные исследования убедительно доказывают, что именно электрическое поле, прямо воздействующее на пламя, и эмиссия потока электронов в пламя могут наиболее эффективно интенсифицировать процесс горения и сделать его экологически чистым и безвредным для человека и для окружающей среды.

Регулирование теплопроводности

Удивительно и другое. Как показали эксперименты, электрическое поле может служить не только эффективным катализатором горения, но и регулятором его интенсивности, может управлять даже вектором теплопроводности. Опытами показано, что с помощью регулирования параметров этого поля можно управлять температурой и градиентом теплопроводности пламени.

Интересные результаты экспериментов получились при измерении полной теплоты сгорания одного и того же количества топлива при обычном способе сжигания топлива и с использованием электрических катализаторов горения, даже при дефиците окислителя. В последнем случае энергия горения топлив возрастает почти в 1,5 раза, что объясняется более полным выделением химической энергии топлива в электромагнитное излучение, в то время как при обычных способах сжигания химическая энергия органического топлива использовалась не полностью и оставалась в виде скрытой суммарной химической энергии межмолекулярных связей многочисленных токсичных отходящих газов, выбрасываемых тепловыми установками в атмосферу.

На основании экспериментов можно предположить, что удельные теплоемкости веществ при данном способе сжигания на 20‑50% выше, чем при обычном способе. В этой новой физике горения и состоит суть электроогневых технологий.

На способы управления и интенсификации процессов горения веществ в электрическом поле автором получены патенты на изобретения РФ.

Некоторые особенности горения топлива в электрических полях

Но это еще далеко не все преимущества электроогневой технологии.

Характерными особенностями новшества являются эффекты озонирования окислителя, электростатического распыления и электростатического впрыска электрически заряженных частиц топлива и окислителя с образованием в камере сгорания тончайшего топливо‑воздушного «тумана» молекулярного уровня. Естественно, такое тонкое распыление топлива способствует его более легкому испарению, воспламенению и сгоранию, особенно в среде озонированного окислителя. Физически механизм электростатического дробления топлива объясняется силовым кулоновским взаимодействием отталкивания электрически одноименно заряженных капель (частиц) топлива друг от друга с их прогрессирующим дроблением и, соответственно, уменьшением массы и электрического заряда. Как показали эксперименты, степень дробления топливных капель зависит от первоначального электрического потенциала зарядки топлива и первоначальных размеров частиц инжектируемого топлива, зависящих, в свою очередь, от конфигурации топливной форсунки и давления в топливопроводе тепловой машины.

Введенное в зону распыления или горения (например, в камеру сгорания двигателя) катализирующее электрическое поле, образованное двуполярными высоковольтными потенциалами, ускоряет электрически заряженные частицы топлива и окислителя к противоположному электрическому потенциалу (подведенному, допустим, к поршню двигателя), т. е. выполняет функцию электростатического насоса, что позволяет, наряду с практически идеальным распылением топлива и перемешиванием его с окислителем, снизить давление в топливопроводе, упростить и усовершенствовать системы впрыска и воспламенения топливной смеси в тепловых машинах и устройствах.

Вода в качестве топлива

Еще более поразительные результаты получились при подготовке и сжигании в электрическом поле топлива, сильно разбавленного обычной водой. Например, жидкого органического (дизельного) топлива, эмульгированного на 60‑80%. Выделяемая в процессе горения такой смеси суммарная энергия в виде тепла и света практически не изменилась по сравнению с неэмульгированным топливом, что объясняется, видимо, высвобождением энергии химических связей не только топлива, но и воды. В процессе экспериментов по сжиганию топливной эмульсии ее вначале превращали посредством капиллярного электроосмоса, электростатического испарения и распыления на молекулярном уровне в тончайший водотопливный туман. Затем происходило последующее расщепление наэлектризованных дипольных молекул этой испаренной эмульсии в сильных электрических полях, с последующим эффективным электроогневым сжиганием топливного газа в среде озонированного воздуха. Опыты показали, что при таком механизме «холодного испарения» и диссоциации водотопливной эмульсии, да и самой воды, электроэнергия вообще не расходуется. Отсюда следует вывод о принципиальной возможности получения неограниченно высокой эффективности использующих водотопливную эмульсию энергосистем.

Экологически чистый двигатель для автотранспорта

Новая технология не только крайне эффективна, но и универсальна, применима практически во всех сферах техники.

Поскольку наибольший экологический вред окружающей среде наносит транспорт, использующий тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), то разумно наметить пути его экологического и энергетического совершенствования.

Несколько лет назад автором уже был запатентован «Способ интенсификации работы ДВС». Позднее был изобретен и общий принцип управления давлением газов в тепловых машинах. Сущность этих изобретений состоит во введении регулируемого электрического поля в камеры сгорания на все время работы двигателя через специальные одноэлектродные свечи зажигания. В результате достигается суммарный положительный эффект экологического, конструктивного и энергетического характера. А именно – эффективное сжигание топлива и очистка выхлопных газов непосредственно в камерах сгорания двигателя, существенное усовершенствование систем впрыска топлива, распределения и электрозажигания топливной смеси. В таком «полевом» двигателе вообще устранен трамблер (либо его электронные аналоги), поскольку искрообразование и интенсивное воспламенение топливной смеси автоматически возникает между центральным электродом свечи, постоянно находящимся под высоким напряжением, и поршнем при подходе последнего к верхней «мертвой» точке, а регулирование угла опережения зажигания достигается изменением напряженности электрического поля. В результате мощного многоискрового зажигания происходит интенсивное воспламенение топливной смеси сразу по всему объему камеры, а электрическое поле, являясь мощным катализатором горения, интенсифицирует процесс сжигания смеси на рабочем такте двигателя и дожигания отходящих газов непосредственно в камерах сгорания на последующем выпускном такте работы двигателя. Это электрическое поле, направленное вдоль оси поршней в камерах сгорания, служит и преобразователем тепловой энергии газов в механическую энергию поршней теплового двигателя, поскольку ориентирует тепловое движение расширяющихся газов в его камерах сгорания на рабочем такте ДВС именно вдоль оси поршней, что приводит к перераспределению тепловой энергии и увеличению давления этих газов именно на поршни.

Все это значительно увеличивает эффективность преобразования тепловой энергии сгорания топлива в механическую энергию движения поршня (теоретически – в два-три раза), повышая кпд классического теплового двигателя до 70‑80%.

Электрическое поле, введенное в камеры сгорания ДВС обеспечивает также существенную (до 30‑40%) экономию топлива при сохранении его рабочих характеристик. Происходит это за счет тонкого электростатического распыления, электризации топлива, озонирования окислителя, глубокого дожига углеводородных компонентов топлива и отходящих выхлопных газов.

Данный метод позволяет эффективно регулировать температуру сжигания смеси в камерах при сохранении требуемой компрессии в цилиндрах, – например, для минимизации образования окиси азота в выхлопных газах.

В результате вообще отпадает необходимость во внешних устройствах очистки выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания при одновременном улучшении экологической чистоты. Дополнительная электроогневая и мокрая аэрозольная водощелочная обработка позволит окончательно очистить выхлопные газы транспортных средств.

Экспериментально подтверждены работоспособность такого экологически чистого двигателя в двухтактном и четырехтактном вариантах, снижение на порядок всех токсичных компонент в выхлопных газах, повышение полезной мощности двигателя на 20‑30% при одновременном снижении расхода топлива.
Таким образом, практическое применение новой электроогневой технологии может оказать революционное влияние на развитие двигателестроения и экологию.

Автором запатентованы также технические решения по совершенствованию на основе новых электроогневых технологий котельных и факельных установок, газотурбинных и реактивных двигателей и мн. др.

Д. т. н., профессор, чл.-корр. РЭА Валерий ДУДЫШЕВ, Энергетика и промышленность России

22 июня 2007 /
Комментарии
иван
хотелосьбы скорей перейти от слов к делу.тема развивается 150лет не имея на практике решения.

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Полужирный Наклонный текст Подчеркнутый текст Зачеркнутый текст | Выравнивание по левому краю По центру Выравнивание по правому краю | Вставка смайликов Вставка ссылкиВставка защищенной ссылки Выбор цвета | Скрытый текст Вставка цитаты Преобразовать выбранный текст из транслитерации в кириллицу Вставка спойлера
Введите код: