Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Плазмоэлектролитический cпособ получения дполнительной энергии

Плазмоэлектролитический процесс

Электролитические процессы известны давно и широко используются в химической промышленности. Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это - взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.

Плазмоэлектролитический реактор представляет собой устройство, корпус которого изготовлен из диэлектрического материала. Рабочий раствор подается в межэлектродное пространство. Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана на рис. 1.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика, соответствующая таблице 1

Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 - 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 - 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 - 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины.

плазмоэлектролитический топливный напряжение ток

Таблица 1. Результаты испытаний реактора N1 при расходе 1-нормального раствора HCl 8,74 л/час и его температуре на входе 23,0 C

Ном. точки	Напряжение, V	Сила тока, A	Энерг. На входе, kJ	Темп. воды на выходе, С	Энерг. на выходе kJ	Показ. эффект, %
1	2	3	4	5	7	9
1	10	1,7	61,2	24	36,6	59,8
2	40	8,2	1180,8	49	952,1	80,6
3	58,5	9,15	1927,0	73	1831,0	95,0
4	80	7,85	2260,8	82	2160,6	95,6
5	100	6,65	2394,0	83,5	2215,5	93,0
6	102	3,75	1377,0	81	2121,1	154,0
7	85	4,7	1438,2	69	1684,5	117,1
8	76	4,3	1176,5	65	1538,0	130,7
9	68,5	3,75	924,7	55	1171,8	126,7
10	88	4,5	1425,6	71	1757,8	123,3
11	92	4,2	1391,0	71	1757,8	126,4
12	94	4,4	1489,0	71,5	1776,1	119,3
13	98	4,2	1481,8	71	1757,8	118,6
14	68	3,9	954,7	56	1208,5	126,6
15	64	3,3	760,3	50	988,7	130,0
16	61	3,05	669,8	46	842,3	126,0
17	57,5	9,3	1925,1	72	1794,4	93,2

Примечание: энергии выделяющихся водорода и кислорода, а также излучаемого света, не учитывались

Поскольку в процессе участвовала соляная кислота, то при анализе нам потребуются энергии связи валентного электрона атома хлора. Потенциал ионизации 17-го электрона атома хлора, а энергия связи его с ядром, соответствующая первому энергетическому уровню,

Таблица 2. Спектр 17-го электрона атома хлора и его энергии связи c ядром

Квантовое число	n	2	3	4	5	6
F (exper.)	eV	9,08	11,25	12,02	12,34	12,53
F (theor.)	eV	9,08	11,24	11,99	12,34	12,54
Ec (theor.)	eV	3,28	1,46	0,82	0,52	0,36

Физическая модель плазмоэлектролитического процесса

Для выявления физической модели процесса весьма желательно наблюдение за тем, как он протекает. Для этого был изготовлен специальный реактор, катодная камера которого была выполнена в виде отверстия в плоском органическом стекле толщиной 24 мм. Игольчатый катод из вольфрама был введен сверху в отверстие, а рабочий раствор поступал снизу и выходил в боковое отверстие. Прозрачность органического стекла позволяет видеть некоторые детали плазмоэлектролитического процесса при разных режимах работы реактора. Прежде чем описать результаты наблюдений, кратко охарактеризуем главных «участников» плазмоэлектролитического процесса: электроны, протоны, атомы, ионы и молекулы воды.

Раньше мы показали, что главным геометрическим параметром электрона является его радиус. Он равен комптоновской длине волны (72,73) и при энергетических переходах электрона в атоме изменяется незначительно. Мы установили также, что радиус протона равен (83). Он на три порядка меньше радиуса электрона.

Следующим "участником" процесса является атом водорода. Его размер переменный. Он увеличивается с повышением температуры среды, окружающей атом. Когда электрон в атоме находится на первом энергетическом уровне, расстояние между протоном (ядром атома) и электроном равно (97), то есть примерно одному ангстрему. Размер атома водорода в невозбужденном состоянии на пять порядков больше размера протона и на два порядка больше размера электрона. При переходе электрона на третий энергетический уровень расстояние между ним и протоном в атоме водорода увеличивается и становится равны.

Мы установили также, что размеры всех атомов в невозбужденном состоянии близки к размеру атома водорода. Следовательно, размер атома кислорода близок к одному ангстрему. Размеры ионов (протон мы не относим к ионам) и молекул больше размеров атомов в несколько раз и зависят от номеров энергетических уровней, на которых находятся валентные электроны, соединяющие атомы в молекулы.

Теперь обратим внимание на структуру молекулы воды и энергии связи электронов с ядрами атомов водорода, кислорода и хлора. Из них следует, что отделение атома водорода и одного протона от молекулы воды и от молекулы соляной кислоты (HCl) - почти равновероятные явления, так как у них близкие энергии связи на одноименных энергетических уровнях.

Анализируя данные рис. и табл. , можно сформировать следующую физическую модель плазмоэлектролитического процесса. При повышении напряжения до 60 Вольт в растворе работает хорошо известная ионная проводимость. При таком потенциале молекулы воды, вступая в контакт с катодом положительно заряженными протонами атомов водорода, диссоциируют на молекулярный водород и ионы гидроксила. В этом случае идет обычный процесс электролиза воды.

По мере повышения напряжения от молекул воды начинают отделяться атомы водорода и их протоны. Вначале в самом растворе, вблизи катода, появляются отдельные стримеры (искры). Это указывает на то, что протоны атомов водорода отделяются от молекул воды и в процессе движения их к катоду вновь соединяются с электронами, синтезируя новые атомы водорода. Дальнейшее повышение напряжения увеличивает количество протонов, отделившихся от молекул воды, и у катода формируется плазма (точки 5, 6). Электроны атомов водорода находятся в этот момент в возбужденном состоянии и совершают переходы с высоких энергетических уровней на низкие, генерируя свет бальмеровских спектральных линий. По интенсивности этих линий можно судить, между какими энергетическими уровнями атомов водорода наибольшее количество электронов совершает переходы.

Визуальный анализ всей спектрограммы (на рис. 30 представлена лишь часть) показывает, что наибольшее количество электронов в атомах водорода переходит с третьего на второй энергетический уровень (светлая яркая полоса слева рис. 30). Светлая зона вблизи этой полосы справа свидетельствует об одновременном формировании молекул водорода.

По мере снижения напряжения (точки 7-14) объем плазмы уменьшается, энергетические уровни электронов атомов водорода, на которых они задерживаются, удаляются от протонов, энергия излучаемых фотонов уменьшается, длина волны увеличивается, и цвет плазмы переходит последовательно от ярко белого к красному. Наконец, наступает момент (точка 15), когда потенциал на электродах оказывается недостаточен для отделения протонов от молекул воды, и процесс затухает, возвращая систему в исходное состояние ионной проводимости (рис. 1).

Анализируя табл. 1 и рис. 1, видим, что наибольший интерес представляют данные на режиме, соответствующем точке 6. Этот режим сформировался самопроизвольно. В точке 5 устойчивая плазма отсутствует, наблюдается лишь мерцание вблизи катода. Затем, через некоторое время, самопроизвольно уменьшается ток, и сразу же появляется устойчивая плазма.

Сформировавшаяся плазма ограничивает контакт раствора с поверхностью катода (увеличивает сопротивление в цепи катод -раствор). В результате величина тока резко уменьшается и остается такой до тех пор, пока энергии плазмы и приложенного напряжения будет достаточно для отделения протонов от молекул воды.

На границе "плазма - раствор" атомы водорода соединяются в молекулы. Дальнейшая их судьба зависит от наличия атомов кислорода. Если они есть, происходит образование молекул воды, с характерными микровзрывами, которые генерируют шум на некоторых режимах работы реактора. Если же атомов кислорода нет у катода или они соединились в молекулы кислорода, то молекулы водорода смешиваются с молекулами кислорода и образуют так называемую "гремучую смесь", которая удаляется от катода вместе с парами воды.

Если после появления плазмы увеличивать напряжение, то температура плазмы возрастает и острие вольфрамового катода становится вначале ярко белым, а потом начинает гореть. Этот процесс легко наблюдать через прозрачное органическое стекло реактора. Чем больше напряжение, тем интенсивнее горит (плавится) катод.

Таким образом, при плазмоэлектролитическом процессе источником плазмы является атомарный водород. Переменное электрическое поле удерживает атом водорода в возбужденном состоянии, формируя его плазму с температурой (5000...10000) С. Интенсивность этой плазмы будет зависеть от приложенного напряжения и от расхода раствора, омывающего катод. Чем больше приложенное напряжение и больше расход раствора, тем интенсивнее плазма.

Конечно, при наличии плазмы с такой температурой не исключено, что в ней протоны могут существовать в свободном состоянии, отделившись от электронов. При повторном синтезе атомов водорода направления магнитных моментов протона и электрона (рис. 13) могут совпадать, и тогда произойдет захват электронов протонами и образование нейтронов. Такое явление зарегистрировано японскими исследователями [51]. Не исключено и формирование ядер гелия. Периодический скачек напряжения до 600 Вольт (рис. 35) дает основания для такого предположения.

Химическая модель плазмоэлектролитического процесса

Приступая к выявлению химической модели плазмоэлектролитического процесса, отметим, что современной химии неведомо обилие энергетических уровней у каждого электрона и обилие энергий связи между атомами в молекулах. Мы не знаем, как были получены величины энергий связи атомов водорода с атомом кислорода в молекуле воды до наших исследований, расчетным или экспериментальным путем, но мы уже показали, что эти энергии не соответствуют энергиям диссоциации молекул воды при низковольтном её электролизе, то есть не соответствуют затратам энергии при разложении воды на водород и кислород. Поэтому перед нами встает проблема: как быть дальше? Доверять этим и другим результатам расчетов современной химии или поставить их под сомнение?

Поскольку атомарный водород существует при температуре (5000....10000) C [52], то в зоне катода образуется плазма с такой температурой. Конечно, плазма будет существовать только при условии достаточной плотности атомов водорода в заданном объеме. Для выполнения этого условия необходимо увеличить плотность тока на катоде. После формирования атомов водорода или отделения их от молекул воды, они продолжали бы оставаться в невозбужденном состоянии, если бы отсутствовало внешнее воздействие. Однако, в процессе работы плазмоэлектролитического реактора атомы водорода находятся под непрерывным воздействием переменного электрического поля, которое вынуждает атомы водорода находиться в возбужденном состоянии, что подтверждается наличием полного комплекта бальмеровских спектральных линий на спектрограмме. К сожалению, мы пока не имеем полного спектра атома водорода и не знаем о наличии лаймоновских спектральных линий, спектральных линий Пашена и др., что затрудняет анализ изучаемого явления.

Какие же процессы будут протекать в межфазной границе "плазма - раствор"? Поскольку вокруг плазмы будет вода, то плазма будет охлаждаться, и у катода будет идти экзотермическая реакция

Если у анода образуется молекула кислорода, то выделится энергия

Если же получаемый водород сразу же сжигать в зоне катода, то будет выделяться энергия синтеза молекул воды

В модели реактора, результаты испытаний которого представлены в таблице 17, водород и кислород выходят через один патрубок, поэтому в нем возможны эндотермические реакции [2]:

1-образование перекиси водорода

2-образование озона

3-образование иона гидроксония

К сожалению, мы точно не знаем интенсивность как экзотермических (130, 131, 132), так и эндотермических (133, 134, 135) реакций. Закономерность изменения температуры раствора (табл. 17) указывает на то, что в зоне существования молекулярного водорода (точки 3,4,5) интенсивность эндотермических реакций ниже, чем в точках 7 - 15, где плазма атомарного водорода сохраняется, а температура раствора снижается. Уменьшение температуры воды при понижении напряжения в эксперименте как раз и объясняется интенсивным поглощением тепла при образовании перекиси водорода , озона и иона.

Японские исследователи Ohmori и Mizuno обнаружили на катоде плазмоэлектролитического реактора вкрапления никеля, хрома, железа и углерода [51]. Источником этих химических элементов, как они считают, является холодный ядерный синтез. Однако надо иметь ввиду, что указанные химические элементы содержатся в деталях аппаратов для получения дистиллированной воды, а углерод - в органических примесях. Если уж говорить о ядерном синтезе при плазменном электролизе воды, то наиболее вероятным является синтез гелия или изотопов химических элементов, участвующих в этом процессе.

Кластеры и их энергии связи

Известно, что молекулы воды могут соединяться друг с другом образуя целые ассоциации, которые называются кластерами. Кластеры - это совокупность одноименных молекул, соединенных между собой, как раньше считалось, водородными связями. Теперь мы можем назвать их как электронные, протонные или электронно - протонные связи. Вот как записывается химическая формула кластера, состоящего из ионов и молекул воды:

При участии иона реакция протекает так:

Существуют и экспериментальные данные энергий связи между молекулами воды и ионами и при разном их количестве в кластере (табл. 3).

Таблица 3. Значения энергий связи в кластерах

Знач. n	0-1	1-2	2-3	3-4	4-5	5-6	6-7
	1,56	0,97	0,74	0,67	0,57	0,51	0,45
	1,1	0,71	0,66	0,62	0,61	-	-

Например, при n=7 на образование кластера затрачивается 5,47 eV.

Процесс образования кластеров - эндотермический, то есть при образовании кластеров электроны, соединяющие молекулы друг с другом, удаляются от ядер атомов в своих ячейках.

Имея структуру молекулы воды (рис. 21...24), мы видим и другие возможности образования кластеров. Нет никаких ограничений для формирования протон - протонных связей между молекулами воды. Так, протоны первых атомов водорода в двух молекулах воды, соединяясь друг с другом, образуют ассоциацию из двух молекул. В этот процесс могут вовлекаться и протоны вторых атомов водорода в молекуле воды, а также шестой и, вероятно, пятый электроны атомов кислорода. В результате, количество молекул в кластере увеличится.

Таким образом, для образования кластеров воды совершенно не обязательно присутствие в ней ионов гидроксила и гидроксония. Обратим внимание на структуру молекулы пароводорода. Она может быть связующим звеном в кластере и после его разрушения водород может рождаться сразу не в атомарном, а в молекулярном состоянии.

Если в обычных условиях молекулы воды объединяются в ассоциации, называемые кластерами, то при переходе в парообразное состояние энергия связи между кластерами приближается к нулю, и у нас появляется возможность рассчитать энергию связи между молекулами в кластере при температуре 20С. Для этого используем энергию парообразования 2595,2 кДж/кг. Переведем эту энергию в электрон-вольты в расчете на одну молекулу.

Этот результат близок к энергии связи (0,54 eV) электрона первого атома водорода в молекуле воды в момент пребывания его на пятом энергетическом уровне и свидетельствует о том, что у протона этого атома большая часть магнитных силовых линий идет на связь с электроном, а меньшая часть свободна и может быть задействована на связь с протоном атома водорода соседней молекулы воды. Тут возникает еще одна проблема, о которой надо сказать хотя бы несколько слов.

По какому закону чередуются магнитные полюса протонов в ядрах атомов? Читатель понимает, что полный ответ на этот вопрос - новая книга и не одна, поэтому приведем пока краткий ответ, который кажется очевидным. Не могут южные или северные магнитные полюса всех протонов ядра быть направленными к его поверхности или к центру. Они чередуются так, чтобы усиливалась прочность ядра. У нас есть основания полагать, что восьмой и седьмой протоны в ядре атома кислорода на поверхности ядра имеют разные магнитные полюса. Это автоматически приводит к разной магнитной полярности протонов атомов водорода в молекуле воды и в этом случае формируются условия для протон - протонной связи между молекулами воды и для образования таким образом кластеров.

Есть основания полагать, что один и тот же протон в разных ядрах атомов может так располагаться, что северный магнитный полюс в одном ядре будет направлен к центру ядра, а в другом - к его поверхности. Такое расположение магнитного поля протона обеспечивает формирование протон - протонной связи между молекулами воды при формировании кластеров.

Началом формирования различных магнитных полюсов валентных электронов на поверхности атомов являются их ядра, поэтому есть основания ожидать, что по этому признаку все атомы делятся на два класса, которые условно можно назвать: «мужскими» и «женскими».

Если представить себе кластер из двух молекул воды, имеющих формы шаров с диаметрами 100 метров, то протоны, расположенные на поверхности этих шаров и связывающие их в кластер, имеют миллиметровые размеры. Малейшее, даже механическое, воздействие разрушит эту систему, создавая условия для текучести молекул воды.

Если бы кластеры образовывались электрон - электронными связями, то они бы имели уже метровые размеры на поверхности стометровых молекул.

Теперь появилась возможность рассчитать энергию, затрачиваемую на нагрев одной молекулы воды на один градус. Известно, что при нагревании одного литра воды от 20С до 100С затрачивается 335,2 кДж энергии. Это - величина энергии, на которую изменится энергия связи валентных электронов (7-го и 8-го) в молекуле воды, если нагреть её от 20С до 100С. Разделив 0,063 eV на 80, получим величину, на которую изменяется энергия связи валентных электронов при нагревании воды на один градус. Она оказывается равной 0,00078 eV.

Теперь появляется возможность уточнить номер энергетического уровня, на котором находятся электроны атомов водорода в молекуле воды. Для этого переведем энергию (286 кДж) синтеза одного моля воды в электрон-вольты.

В расчете на одну связь имеем: 2,97/2=1,485 eV. Это близко к энергии 1,51 eV третьего атомарного энергетического уровня. Ранее, используя затраты энергии (4кВтч) на получение одного кубического метра водорода, мы нашли, что энергия связи атома водорода с атомом кислорода в молекуле воды равна 1,59 eV. Конечно, в эту величину входят и затраты энергии на нагрев воды при ее электролизе. Если вода при этом нагревается до 80С, то при 20С указанная энергия связи будет равна (1,59 - 0,00078х60)=1,543 eV. Неплохое приближение двух результатов к энергии (1,51eV) третьего атомарного энергетического уровня атома водорода указывает на то, что мы можем с доверием относиться к величинам энергии синтеза одного моля молекулярного водорода 436кДж/моль и энергии синтеза одного моля молекул воды 286 кДж/моль. Полученные результаты указывают на то, что электрон атома водорода в молекуле воды находится не точно на третьем атомарном энергетическом уровне (1,51 eV) , а вблизи его.

В одном кубическом метре содержится 1000х0,09=90 гр. водорода. Энергосодержание одного грамма молекулярного водорода равно 142 кДж. Энергосодержание одного кубического метра водорода оказывается таким 142х90=12780 кДж. Получаемая энергия 12780 кДж эквивалентна (12780/3600)=3,55 кВтч. Если удастся добиться меньших затрат энергии на получение одного кубического метра водорода, чем 3,55 кДж, то он станет конкурентноспособным энергоносителем.

Схемы моделей плазмоэлетролитических реакторов

Приведем схемы двух конструкций плазмоэлектролитических реакторов № 2 и N3 по нашей классификации. Заявление № 98121180 на получение патента на реактор N 2 зарегистрировано 30 ноября 1998 года, а заявление N 98112312 на реактор N3 - 8 июля 1998 года.

Рис. 2. Схема плазмоэлектролитического реактора № 2: 1-корпус реактора, 2-крышка реактора, 3-анод, 4-катод (впускной патрубок), 5-втулка, 6-выпускной патрубок, 7-межэлектродная камера

Корпус 1 и крышка 2 реактора (рис. 32) могут быть изготовлены из оргстекла или фторопласта. Анод 3 желательно изготовить из титана, покрытого окисью рутения (орта) или просто из титана. Полый катод 4 изготовлен из молибдена. Втулка 5 и выпускной патрубок 6 изготовлены из фторопласта. Плащади рабочих поверхностей анода и катода подбираются так, чтобы плотность тока на катоде в несколько десятков раз превышала плотность тока на аноде, а расстояние между анодом и катодом было бы равно 8...10 см. Рабочими растворами могут быть слабые (одномолярные) растворы щелочей, кислот и т.д.

На рис. 3 показана схема базовой модели наиболее эффективного реактора. Геометрические параметры D, d и S подбираются так, чтобы эффект был максимален для конкретного режима работы.



Рис. 3. Схема модели плазмоэлектролитического реактора N3: 1 - анод (орта); 2 - катод (молибден); 3 - защита диэлектрического стержня 5 от перегрева; 4 - вольфрамовый стержень; 6 - патрубок для подачи раствора; 7 - патрубок для выхода кислорода; 8 - патрубок для выхода водорода; 9 - патрубок для выхода парогазовой смеси

Сразу предупреждаем, что эффект проявляется в узком диапазоне сочетания различных параметров реактора и плазмоэлектролитического процесса. К настоящему моменту изучена незначительная часть этих сочетаний. Испытано пока лишь несколько модификаций плазмоэлектролитического реактора N3. Впереди еще большая работа.

Плазмоэлектролитический реактор генерирует энергию, заключенную в тепле нагретой воды, водяном паре разной температуры, атомарном и молекулярном водороде, кислороде, озоне, световом излучении и шуме.

Нелегко зафиксировать каждый из указанных видов энергии отдельно. Легче всего измерить тепловую энергию, заключенную в нагретой воде и паре. Опыт показал, что этого вполне достаточно для доказательства положительной эффективности плазмоэлектролитического реактора.

Эффективность реактора определяет общий показатель эффективности, учитывающий электрическую энергию, вводимую в реактор, тепловую энергию, которая аккумулируется в нагретом водном растворе и водяном паре, и энергию, содержащуюся в выделившихся газах (водороде и кислороде), а также световую энергию и энергию шума.

Однако, следует иметь ввиду, что далеко не все конструкции реакторов и не все режимы их работы показывают положительную эффективность. Плазму зажечь легко, но извлечь из нее дополнительную энергию - дело не простое.

Поскольку у нас нет протокола официальных испытаний плазмоэлектролитического реактора №2, который имеет положительную эффективность, но есть протокол таких испытаний плазмоэлектролитического реактора №3, то приводим этот протокол.

Протокол контрольных испытаний плазмоэлектролитического реактора N3 22.05.1998г. г. Краснодар

Плазмоэлектролитический реактор N3 разработан зав. кафедрой теоретической механики Кубанского государственного Аграрного университета, доктором технических наук, профессором Ф.М. Канаревым и кандидатом химических наук Е.Д. Зыковым и представлен на контрольные испытания комиссии в составе:

Фомин В.В. - заведующий кафедрой физики Кубанского государственного аграрного университета, доктор физико-математических наук, профессор - председатель комиссии;

члены комиссии:

Трофимов А. С. - профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Кубанского государственного технологического университета, доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники России, член-корреспондент Международной академии Высшей школы, лауреат премии правительства Российской федерации по науке и технике (теплоэнергетик),

Березина Н.П. - доктор химических наук, профессор Кубанского государственного университета (электрохимик),

Канарёв Ф.М. - заведующий кафедрой теоретической механики Кубанского государственного аграрного университета, доктор технических наук, профессор,

Сингаевский Н. А. - кандидат технических наук, доцент Краснодарского Высшего Военного Командного училища Ракетных войск, полковник (электроэнергетик),

Зыков Е . Д. - кандидат химических наук (физическая химия поверхностных явлений), провела контрольные испытания плазмоэлектролитического реактора.

1 - устройство диаметром 130 мм и высотою 100 мм изготовлено из диэлектрического материала (оргстекла и фторопласта), имеет межэлектродную камеру, анод, катод и патрубки для ввода в реактор рабочего раствора и вывода из него нагретой жидкости и парогазовой смеси;

2 - реактор подключается к сети выпрямленного тока с регулируемым напряжением;

3 - теплоноситель - слабый водный раствор щелочи, расход которой устанавливается вентилем по индикатору расхода;

4 - нагреваемые реактором раствор и парогазовая смесь выводятся из реактора через патрубок.

Реактор работает следующим образом. С помощью ротаметра устанавливается заданный расход раствора и включается электропитание с начальным напряжением, близким к нулю. Затем напряжение повышается, и при 150-200 Вольтах в прикатодном пространстве образуется устойчивая плазма. Через несколько секунд после появления плазмы начинается выход нагретого раствора и парогазовой смеси. Количество пара можно регулировать. Для увеличения точности измерений реактор был настроен на нагрев раствора при минимальном парообразовании.

Приборы и оборудование, применяемые при эксперименте

Приборы, применяемые для измерений входной энергии: бытовой счетчик электрической энергии, вольтметр (класс точности 0,2 ГОСТ 8711-78), амперметр (класс точности 0,2 ГОСТ 871160).

Приборы, применяемые для измерения выходной энергии: термометры ртутные с ценой деления 1 и 2 градуса и со шкалами до 100 градусов и до 160 градусов соответственно; мерные емкости объемом 3 литра, мензурки емкостью 1000 мл, секундомер с ценой деления 0,1 сек., весы с ценой деления 5 гр.

Методика эксперимента

Мерная емкость 3 литра с раствором была установлена на 0,7 м выше уровня реактора на весах и соединена с реактором с помощью трубок через ротаметр, который использовался как индикатор расхода раствора. Затем был установлен заданный расход раствора и запущен реактор в работу. После того, как режим его работы стал установившимся и уровень раствора опустился до контрольной отметки, был включен секундомер, и начался отсчет изменения веса раствора в мерной емкости, а также отсчет оборотов диска счетчика и изменений показаний вольтметра и амперметра. Одновременно выход раствора из реактора был переключен в приемную мензурку, вес которой был определен заранее.

В процессе эксперимента фиксировалось время начала и окончания опыта, показания счетчика электроэнергии, средние показания вольтметра и амперметра, а также показания термометров, измерявших температуру раствора на входе в реактор и выходе из него. Кроме этого, периодически корректировались незначительные изменения расхода раствора по показаниям ротаметра.

Эксперимент был завершен после того, как уменьшение веса раствора в мерной емкости, размещенной на весах, дошло до контрольного значения. Выход раствора из реактора в этот момент был переключен на запасную емкость.

Результаты эксперимента

Предварительными опытами авторов было установлено, что теплоемкость раствора и теплота парообразования незначительно отличаются от теплоемкости и теплоты парообразования воды, поэтому эти параметры были приняты такими же, как у воды: = 4,19 кДж/ кг. град. и = 2269 кДж/ кг

Таблица 4

Показатели	1	2	3	Сред.
1-масса пустой мензурки, гр.	...	...	...	345
2-масса раствора до прохода его через реактор, гр.	1200	1195	1200	1198
3-масса раствора после прохода через реактор, гр.	1180	1180	1180	1180
4-разность масс раствора, вошедшего в реактор и вышедшего из него, , гр.	20	15	20	18,3
5-температура раствора на входе в реактор, град.	21	21	21	21
6-температура раствора на выходе из реактора , град.	85	85	85	85
7-разность температур раствора, град.	64	64	64	64
8-длительность эксперимента, с	279	307	282	289
9-количество оборотов диска счетчика за время опыта, об.	39,5	44,5	41,5	41,8
10-расход электроэнергии по показаниям счетчика, кДж Примечания: 600 оборотов счетчика соответствуют 1кВтч электроэнергии. Счетчик установлен в цепи питания реактора перед выпрямителем и фиксировал расход энергии на работу реактора и выпрямителя тока. Вольтметр и амперметр установлены в цепи питания реактора после выпрямителя и предназначены для измерения расхода электрической энергии на работу реактора.	237	267	249	251
11-показания вольтметра, Вольт	196	200	199	198,3
12-показания амперметра, Ампер	3,66	3,30	3,58	3,51
13-расход электроэнергии по показаниям вольтметра и амперметра , кДж	200,1	202,6	200,9	201,2
14-энергия, затраченная на нагревание раствора, , кДж	322,0	320,4	322,0	321,5
15-энергия, затраченная на образование пара, , кДж	45,4	34,0	45,4	41,6
16-сумма энергий, затраченных на нагревание раствора и образование пара, , кДж	367,4	354,5	367,4	363,1
17-показатель эффективности реактора по показаниям счётчика	1,55	1,33	1,47	1,45
18-показатель эффективности реактора по показаниям вольтметра и амперметра	1,87	1,75	1,85	1,82

Комиссия отмечает, что в процессе эксперимента отчетливо виден выход газов через трубки, соединенные с патрубками анодной и катодной камер. Поскольку газы - продукты разложения раствора, главным образом молекул воды, то часть уменьшившейся при проходе через реактор массы воды, перешла в газы. Однако, авторы еще не разработали методику их измерения, поэтому энергосодержание этих газов было отнесено к энергосодержанию пара. Так как энергосодержание газов значительно больше энергосодержания пара, то комиссия отмечает, что это - неучтенная прибавка эффективности реактора. Показатель эффективности реактора определен по среднему значению показаний вольтметра и амперметра и требует дальнейшего уточнения, так как реактор генерирует высокочастотные электрические колебания, которые влияют на показания приборов. Комиссия отмечает также, что реактор генерирует световую энергию и энергию в виде шума.

Комиссия считает, что при учете энергии выделяющихся газов, световой энергии и внешних тепловых потерь реактора эффективность реактора окажется выше зафиксированной.

Комиссия отмечает новизну обнаруженного явления формирования плазмы при электролизе воды со сложными слабоизученными процессами, которые генерируют дополнительную энергию, и считает, что данное явление требует всестороннего изучения с целью выяснения возможностей применения его в различных областях науки и техники.

Эксперимент наглядно показывает прежде всего то, что плазмоэлектролитический реактор генерирует энергию в виде тепла нагретого раствора, пара разной температуры, водорода и кислорода, а также светового излучения, шума и высокочастотных электрических колебаний.

Для измерения всех перечисленных составляющих общей энергии, генерируемой плазмоэлектролитическим реактором, необходимо иметь соответствующие приборы и оборудование. Такая возможность у нас отсутствовала из-за отсутствия финансирования, поэтому мы смогли измерить лишь тепловую энергию и количество генерируемых газов с помощью анемометра.

Плазмоэлектролитический реактор, как генератор газов

В этом эксперименте реактор № 3 (рис. 3) был настроен на парогазовый режим работы и снабжен теплообменником для конденсации пара. Скорость выхода газа после конденсации пара измерялась с помощью анемометра. При этом фиксировался расход охлаждающей жидкости (воды) и изменение её температуры, а также время и показания приборов, измерявших расход электрической энергии.

Рис.4. Схема выделения газов

Результаты эксперимента Таблица 5

Показатели	1	2	3	Сред.
1- длительность эксперимента, с.	300	300	300	300
2-расход охлаждающей воды, гр.	8600	9250	8750	8867
3-температура воды на входе в охладитель, град.	24	24	24	24
4-температура воды на выходе из охладителя , град.	29,0	28,5	29,5	28,8
5-разность температуры воды, град.	5,0	4,5	5,5	5,0
6-выход газов (водорода) по показаниям анемометра , л	19,2	20,7	25,5	21,8
7-количество оборотов диска счетчика электроэнергии за время опыта, об.	23,5	24,0	29,0	25,5
8-расход электроэнергии по показаниям счетчика, кДж.	141,0	144,0	174,0	153,0
9-показания вольтметра, Вольт.	220,0	220,0	220,0	220,0
10-показания амперметра, Ампер.	1,66	1,75	1,89	1,77
12-энергия, затраченная на наггрев охлаждающей воды, кДж.	179,7	174,0	201,2	185,0
15-показатель эффективности реактора по показаниям счетчика	1,27	1,21	1,16	1,21
16-показатель эффективности реактора по показаниям вольтметра и амперметра	1,63	1,51	1,61	1,58
17-расход электроэнергии на получение одного кубического метра газовой смеси, кВтч/	2,0	1,9	1,9	1,9

Примечание: водород, получаемый после конденсации пара, может содержать примеси других газов: кислорода и озона, а, возможно, и гелия, но нам не удалось провести такой анализ

Остались неучтенными: энергия водорода, кислорода и внешние потери энергии (теплообменник не имел теплоизоляции), а также энергия светового излучения. Остальными видами неучтенной энергии (шум, высокочастотные электрические колебания) можно пренебречь [72].

Результаты только что описанного эксперимента были впервые опубликованы нами в первом издании этой книги [75] и затем повторены в работах [72], [76]. Мы надеялись получить финансирование, приобрести необходимые приборы и провести анализ состава газа, генерируемого реактором в описанном эксперименте. Однако наши надежды не оправдались, и вопрос о составе газов, получаемых после конденсации пара, остается до сих пор открытым, поэтому мы продолжаем считать полученные газы газовой смесью.

Многочисленные попытки уточнить объем газовой смеси, генерируемой реактором N3, с помощью анемометра показали, что минимальные затраты энергии на получение одного кубометра газовой смеси менее 1 кВтч. Вопрос: сколько в этой газовой смеси водорода? - остается до сих пор открытым.

Сложность работы с водородом заключается в том, что его смесь с воздухом или кислородом взрывоопасна, и этот факт многократно фиксировался при испытаниях, заставляя испытателей проявлять особую осторожность. Вторая сложность при измерении количества водорода, генерируемого плазмоэлектролитическим реактором, заключается в том, что его молекула имеет наименьшие размеры, поэтому легко проникает туда, где молекулы других веществ не проходят. Молекулярный водород легко диффундирует даже в металлы [39]. Один объем палладия, например, поглощает до 800 объемов водорода. К этому можно добавить исключительную чувствительность плазмоэлектролитического процесса генерации газов к внешнему давлению. Малейшие изменения давления или других параметров процесса в прикатодном пространстве резко изменяют количество генерируемых газов. Это легко фиксируется по показаниям анемометра.

Закономерности изменения напряжения, тока и мощности в цепи питания плазмоэлектролитического реактора

А теперь приступим к анализу осциллограмм напряжения, тока и мощности в электрической цепи, питающей плазмоэлектролитический реактор в газовом режиме работы. На рис. 35, 36, 37 показаны осциллограммы напряжения, тока и мощности, полученные нами совместно со специалистами Санкт-Петербургской фирмы «Алгоритм». Измерения проводились с помощью электронного осциллографа «Handyscope - 2», который фиксировал в интервале 0,1 сек 10000 ординат, что обеспечивало высокую точность измерений. Результаты измерений соответствуют режиму реактора, настроенного на получение газов, но не тепла.

Измерения проводились одновременно тремя способами: с помощью вольтметра и амперметра, электросчетчика энергии и электронного осциллографа. В протоколе результатов измерений зафиксированы следующие показания за время опыта (300 сек), приведенные к часу работы реактора:

1. Вольтметр и амперметр - 587 Вт;

Электронный осциллограф - 716 Вт;

Электрический счетчик - 720 Вт.

Комиссия сделала заключение, что измерения потребляемой плазмоэлектролитическим реактором электроэнергии с помощью бытового счетчика электроэнергии являются корректными. К этому необходимо добавить, что приведенные данные соответствуют всего лишь одному режиму работы реактора, неравномерность свечения плазмы которого отчетливо видна без всяких измерений и легко наблюдается по резким колебаниям стрелки амперметра. Однако существуют и такие режимы работы, при которых плазма горит устойчиво и стрелка амперметра не колеблется. К сожалению, показатели такого режима работы реактора не были зафиксированы с помощью электронного осциллографа, и у нас нет сравнительных данных измерений для такого режима. Мы можем только предполагать, что показания вольтметра и амперметра на таком режиме работы незначительно отличаются от показаний электронного осциллографа и бытового счетчика электроэнергии.



Рис. 5. Осциллограмма изменения напряжения в сети питания плазмоэлектролитического реактора

На рис. показана осциллограмма напряжения в цепи питания реактора, настроенного на газовый режим работы. Вольтметр в этот момент показывал устойчиво напряжение 220 Вольт. На осциллограмме видны резкие колебания напряжения. Несущая частота выпрямленного напряжения 100 Гц имеет гармонику с меньшей амплитудой и большей частотой колебаний. Уменьшение амплитуды несущих колебаний интерпретируется просто: кратковременное увеличение тока приводило к кратковременному уменьшению напряжения.

Сложнее объяснить увеличение амплитуды напряжения. Причиной этому может быть наличие в цепи емкости или индуктивности, где энергия может накапливаться и затем высвобождаться, повышая напряжение в питающей сети. Трудно судить о величине емкости реактора, состоящего из плоского анода и стержневого катода. Индуктивной емкостью обладает трансформатор в цепи питания. Можно признать его роль в формировании колебаний напряжения, амплитуда которых расположена выше амплитуды несущей частоты. Исключением являются три колебания с амплитудой до 600 Вольт и выше (рис. 5). Источником этих колебаний могут быть только процессы, протекающие в реакторе. Какие? Мы пока не знаем. Можно предположить, что они соответствуют процессам рождения атомов гелия и тогда мы должны будем признать наличие холодного ядерного синтеза. Эти колебания могут быть связаны с процессом захвата протонами электронов и образованием нейтронов [51]. Точный ответ на возникший вопрос появится из результатов дальнейших исследований.

Рис. 6. Осциллограмма изменения тока в цепи питания

На рис. 6 представлена осциллограмма электрического тока. Максимальные значения его достигают 25 Ампер, но эти пики не связаны во времени с пиками увеличения напряжения (рис. 6). Явно видны промежутки времени при полном отсутствии тока. Средняя величина его оказалась равной 3,8 Ампера. Наблюдались интенсивные колебания стрелки амперметра.

Конечно, промежутки времени, связанные с отсутствием тока в цепи питания реактора, несут в себе много информации о самом плазмоэлектролитическом процессе.

Прежде всего причиной такого хаотического изменения силы тока является хаотический характер отделения протонов атомов водорода от молекул воды. Этому способствует также и парогазовая смесь. Накапливаясь у катода и не успевая выходить за пределы прикатодного пространства, она изолирует частично, а иногда и полностью, катод от раствора, увеличивая сопротивление в цепи питания. В результате, периодически разрывается электрическая цепь, величина тока уменьшается до нуля. В моменты, когда сила тока равна нулю, яркость свечения плазмы уменьшается. Затем, когда прикатодное пространство освобождается от парогазовой смеси и раствор вновь начинает контактировать с катодом, сила тока резко возрастает. Таким образом, при генерации газов, реактор работает в пульсирующем режиме, при котором возможны резонансные явления, а, значит, и резкое повышение эффективности процесса.

Рис. 7. Осциллограмма изменения мощности в цепи питания плазмоэлектролитического реактора

Закономерность изменения мощности в цепи питания плазмоэлектролитического реактора на газовом режиме его работы аналогична изменению силы тока. Пиковая мощность достигает восьми киловатт, хотя среднее её значение составляет всего 720 Ватт.

Эффективность топливных элементов

Одним из наиболее перспективных потребителей водорода считаются топливные элементы. Однако, эффективность процесса соединения водорода с кислородом в топливном элементе и формирования электрической энергии, изучены слабо.

В докладе приводятся характеристики одного из топливных элементов. При расходе водорода 2кг/час он генерирует 30 кВтч электрической энергии. Поскольку один кубический метр газообразного водорода весит 90 гр., то в 2 кг жидкого водорода содержится 22,2 газообразного водорода. Учитывая, что для получения 1 водорода лучшие промышленные электролизёры расходуют 4 кВтч и принимая эту величину энергии за 100%, получаем энергетический коэффициент полезного действия (КПД) топливного элемента

В источнике информации [79] сообщается, что КПД топливных элементов третьего поколения с твердым электролитом близок к 50% и что использование технологии топливных элементов позволяет повысить КПД по электроэнергии до 75%, а с учетом вырабатываемого ими тепла - до 90-95%.

Этот же источник сообщает, что в апреле 1999 года была создана фирма Ecostar Electric Drive Systems (совместное предприятие компаний Ford, Daimler-Benz и Ballard Power Systems) для разработки автомобиля на топливных элементах. Общий объём инвестиций во все работы уже достиг 700мл. долл. Эта фирма намеревается начать выпуск серийных автомобилей с топливными элементами в 2004 году.

Эффективность топливных элементов зависит прежде всего от эффективности использования электрических возможностей самого водорода. Если учесть количество электронов, принадлежащих атомам водорода и участвующих в формировании электрической энергии топливного элемента, то эффективность физико-химического процесса этого элемента оказывается менее 1%. Проведем этот расчет для топливного элемента, описанного в докладе [78]. Этот топливный элемент генерирует 30кВтч электроэнергии при расходе 2 кг (22,2) жидкого водорода в час. Поскольку моль газообразного водорода равен 22,4 литрам, то для выработки 30 кВтч электрической энергии надо затратить 22222,22/22,4=992,06 молей молекулярного водорода.

Напомним, что числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авагадро на заряд электрона. Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества

Если все протоны 992,06 молей молекулярного водорода передадут свои электроны в электрическую сеть топливного элемента, то в результате сформируется Кулонов электричества. Это потенциальные возможности 22,2 молекулярного водорода. Как же используются эти возможности современными топливными элементами?

Рассматриваемый топливный элемент работает при напряжении 100 Вольт, поэтому при выработке 30кВтч в его электрической цепи циркулирует ток 30000/100=300 Ач. При 1 Ампер-часе расходуются 3600 Кулонов электричества, а при 300Ач - 1080000,0 Кулонов. Если потенциальное количество Кулонов электричества, содержащихся в 22,2 водорода (191437818,2 Кулонов), взять за 100%, то реальное количество Кулонов электричества, генерируемое топливным элементом, составит

Вот где главные резервы повышения эффективности топливных элементов! Главная причина очень низкой (0,57%) электрической эффективности топливного элемента - подача в него молекулярного водорода. Есть все основания надеяться, что минимум десятикратное увеличение этой эффективности - дело ближайшего будущего.

Специалистам, занимающимся исследованиями топливных элементов, следует обратить внимание на важность анализа воды, получаемой в результате их работы. Мы уже показали, что молекулы воды могут содержать как все 10 электронов (заряженная вода), так и 8 электронов (разряженная вода). Если вода чистая (без примесей), то должна существовать разница в весе одного литра заряженной и разряженной воды, которую можно легко обнаружить. Чем больше в воде, образовавшейся после работы топливного элемента, разряженных молекул, тем эффективнее используются в нем энергетические возможности водорода.

Приведенные расчеты показывают, что энергетические возможности водорода в топливных элементах используются пока лишь примерно на 0,6%. Увеличение этого показателя в 10 раз будет эквивалентно переходу на водородную энергетику во всех сферах человеческой деятельности.

Заключение

Энергетика с каждым годом укрепляет свою приоритетную значимость. Это будет сохраняться до тех пор, пока не будут найдены новые источники энергии, которые гарантированно обеспечат человечество экологически чистой энергией в обозримом будущем. Одним из таких источников является вода. В настоящее время используется лишь незначительная часть её потенциальных энергетических возможностей, которые скрыты в энергии химических связей её молекул. До сих пор эти возможности оставались не выявленными и потому не подвергались глубокому анализу. Теперь такая попытка сделана.

Теоретически и экспериментально показана возможность извлечения энергии из химических связей молекул воды. Установлено, что при обычном и плазменном электролизе воды электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии с показателем эффективности больше единицы. Оказалось, что источником дополнительной энергии является синтез атомов и молекул водорода.

Первое понимание происходящих при этом процессов стало возможным благодаря новому теоретическому направлению в описании физико-химических процессов. Результаты экспериментов и их анализа - один из показателей плодотворности этого направления, которое остается пока неизвестным широкому кругу специалистов. Есть основания надеяться, что энергетическая значимость анализируемой проблемы будет способствовать критическому анализу новых теоретических идей автора.

Размещено на Allbest.ru

...