В статье обоснованы важность и перспективы совершенствования огневых технологий, в частности, путем применения новой электроогневой технологии чистого сжигания любых веществ и газов с использованием электрических полей в качестве катализатора горения. Рассмотрено применение технологии в теплоэнергетике, тепловых двигателях транспорта, установках огневой утилизации отходов и др. [1,2]. Показано, что новая технология позволяет не только интенсифицировать процессы горения, но и повысить их управляемость (температуры, градиента теплопроводности, давление газов и прочее). Делается вывод о ее перспективности при решении острейших энергетических и экологических проблем цивилизации.Надеемся, что данная статья вызовет интерес широкого круга читателей: специалистов в области огневых и тепловых технологий, физиков, экологов, и просто читателей, интересующихся новыми научными идеями. 

ГЛОБАЛЬНЫЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ — ЭТО ПРОБЛЕМЫ НЕЭФФЕКТИВНОГО СЖИГАНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОГО ТОПЛИВА

Острота экологических проблем в мире нарастает, грозя перерасти в глобальную экологическую катастрофу. Главной причиной загрязнения атмосферы в больших городах является в первую очередь несовершенство огневых технологий (теплоэнергетики, тепловых машин, двигателей транспорта, сжигание отходов …). Уже доказано, что их вклад в загрязнение атмосферы планеты приближается к 70-80%… Под огневыми технологиями понимают любые технологии сжигания топлива, веществ, газов. Огневые технологии наиболее распространены в мире, без них немыслима современная цивилизация. Теплоэнергетика и транспорт, металлургия и пищевая промышленность, нефтегазоперерабатывающая и химическая промышленность, огневое обезвреживание отходов — вот далеко не полный перечень использования огневых технологий. До тех пор, пока человечество не усовершенствует огневые технологии, глобальные экологические проблемы решить невозможно. В статье описана и раскрыта сущность новой технологии экологически чистого и эффективного бых видов топлива и отходов.

Почему экологам трудно защитить природу

Современная методология и технология решения экологических проблем состоит в анализе степени и источников загрязнения окружающей среды (экологический мониторинг), а также в очистке атмосферы, воды и почвы от токсичных компонент в случае превышения в них предельно допустимых концентраций токсичных веществ.

К сожалению, в настоящее время методы измерения огромного спектра токсичных веществ, выделяемых в атмосферу при горении веществ, а тем более методы их утилизации, объективно сложны, дороги и несовершенны. Даже использование идеальной техники для измерения загрязнения атмосферы продуктами горения является неэффективным, поскольку это уже борьба со следствиями несовершенства огневых и других технологий, а не с причинами загрязнения атмосферы.

Экологическая и энергетическая эффективность известных огневых технологий

Известно, что на данный момент реальная эффективность преобразования химической энергии топлива в процессе горения остается низкой (например, в тепловых двигателях она составляет не более 25%, а эффективность преобразования тепловой энергии в электроэнергию на теплоэлектростанциях не превышает 40%). Если же учесть затраты энергии на добычу, переработку и доставку топлива потребителям, то суммарный КПД существующих огневых технологий (тепловых машин и установок) составит не более 10-15%! Это означает, что более половины химической энергии топлива переходит в тепло и в разнообразные токсичные вещества и отходящие газы, которые отравляют атмосферу планеты и создают кислотные осадки, глобальный «парниковый» эффект, грозящий потеплением климата, вселенский потопом и окончательным отравлением живой природы. Таким образом, вклад несовершенной энергетики в загрязнение природы составляет 70-80%! Как очистить атмосферу планеты, особенно мегаполисов мира, когда из выхлопных труб транспорта и дымовых труб производственных предприятий вылетают вещества и газы с химическим составом, превышающим половину таблицы Менделеева, и в количествах, которые уже сопоставимы с объемами оставшегося чистого воздуха планеты?

До тех пор, пока человечество не научится эффективно и экологически чисто сжигать вещества и газы, атмосфера планеты будет грязной и в недалеком будущем непригодной для жизни. Таким образом, пока мы не разберемся по- настоящему с процессами горения и преобразования в пламени химической энергии веществ в тепловую энергию и далее в другие полезные виды энергии (электрическую, механическую, световую), нам не решить экологические проблемы.

ФИЗИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ И ПРОБЛЕМЫ КЛАССИЧЕСКОГО ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ

Горение — это одно из самых сложных известных человеку 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, это и физические процессы преобразования энергии на молекулярном и атомном уровнях в тепло и свет, а также многие другие процессы, протекающие одновременно.

Со школьной скамьи известно, что горение — это процесс взаимодействия топлива с окислителем, сопровождающийся выделением тепловой и световой энергии. В высшей школе добавляют к этому определению следующее: «а также скрытой энергии химических связей отходящих газов». Процессы горения изучают и совершенствуют ученые и специалисты самых различных профилей (химики, физики, теплоэнергетики, теплофизики и т.д.). Известны фундаментальные исследования цепных реакций горения, проведенные русскими учеными Н.Н. Семеновым, Я.Б. Зельдовичем и их последователями.

В настоящее время 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 вообще обойтись без традиционного окислителя ? Как начинается и происходит процесс горения? 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 и в нагретых отходящих газах, и к чему это приведет? Есть и еще одна проблема горения — это сами углеводородные топлива, используемые в современных тепловых процессах. Еще великий русский ученый Д.И. Менделеев афористически утверждал, что использовать нефть — все равно, что топить печь денежными ассигнациями.

Поскольку углеводородные топлива являются сложными химическими веществами, а процессы горения пока несовершенны, то в процессе их горения образуется целый «букет» других попутных веществ и токсичных газов, которые бесцельно уносят неиспользованную внутреннюю энергию топлива в атмосферу и отравляют нашу планету.

Известно, что идеальное топливо — это водород, так как горение водорода в кислороде является практически идеально чистым. Однако в настоящее время технология получения водорода и кислорода остается дорогостоящей, а процесс горения водорода — взрывоопасным. Поэтому водородные тепловые машины и технологии не нашли массового применения, а в качестве топлива по-прежнему повсеместно применяют органические вещества и газы.

Физическая сущность новой электроогневой технологии

Каким же образом можно сжечь углеводородное топливо экологически чисто, и как реализовать на практике такую экологически чистую огневую технологию? Краткий ответ таков: необходимо создать такие условия горения органического топлива, ввести такой катализатор горения, при которых энергия химических межмолекулярных и внутримолекулярных связей органического топлива практически полностью высвобождается и превращается в энергию электромагнитного излучения, например, в световую и тепловую энергию без образования промежуточных экологически вредных веществ и газов. После этого рабочее тело (например, воду) эффективно нагревают данным направленным и сконцентрированным электромагнитным излучением с использованием эффектов отражения и концентрации электромагнитных волн, либо превращают электромагнитное излучение непосредственно в электроэнергию. В этом случае возникает новая возможность регулировать температуру пламени и предельно снизить объем окислителя, т.е. создать горение органики при минимальном объеме отходящих газов.

Возможно ли в принципе такое «чистое» горение органических веществ и газов c использованием электрического поля в качестве «катализатора»? 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 с силовыми линиями электрического поля.

Один из вариантов экспериментальной установки показан на Рис.1

Блок-схема экспериментальной установки для исследования новой электроогневой технологии показана на Рис.1а. Установка содержит корпус (1) с электроизолированными от корпуса плоскими электродами (2), (они могут быть размещены как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости). Электроды (2) размещены на противоположных внутренних стенах камеры горения (3). Устройство снабжено смесителем (4) с устройством подачи (5) топливной смеси в зону горения. Одновременно устройство (5) выполняет функции электрического воспламенения смеси. Описываемое устройство снабжено воздушным трактом (6), содержащим активизатор окислителя (7), который присоединен по цепи управления к регулятору (8) (управление степени активизации окислителя), а воздуховодом (9) к смесителю (4). На конце воздуховода возможно размещение вихревого устройства (на рисунке не показано). Устройство снабжено также топливным трактом (10), содержащим активизатор топлива (11) и регулятор (12) активизатора и расхода топлива, причем, блок (11) присоединен топливопроводом к смесителю (4). Устройство снабжено электрическим активизатором горения (14), который содержит высоковольтный преобразователь (15) напряжения и частоты, присоединенный по цепи управления к своему регулятору (16). Электрический выход блока (15) присоединен к одному из электродов (2), а второй выход надежно электрически заземлен контуром заземления (17). Высоковольтный провод с выхода блока (15) присоединен к электроду (2) через проходной электроизолятор (не показан на Рис.1а). Устройство снабжено датчиком токсичности газов (18), присоединенным на вход оптимизатора режима (19), который является системой управления для взаимосвязанного регулирования всех параметров горения. Для этого выход оптимизатора режима (19) присоединен на входы управления регуляторов (8), (12), (16).

Устройство работает следующим образом. Вначале подают активизированные окислитель О1 через воздушный тракт (6), активизатор (7) и воздуховод (9) в смеситель (4), затем подают в тот же смеситель (4) активизированное топливо Т1 через топливный тракт (10) и активизатор (11). В смесителе (4) готовят топливную смесь, которую распыляют и одновременно воспламеняют искрой от блока (5). В камере горения (3) пламя и отходящие газы обрабатывают сильным переменным электрическим полем, образованным от блока (14) в зазоре между электродами (2). В процессе горения пламени измеряют токсичность отходящих газов специальным датчиком токсичности (18). В зависимости от текущей токсичности взаимосвязано регулируют посредством оптимизатора режима (19) параметры горения пламени. Конкретно, через регулятор (6) изменяют расход окислителя и степень его активизации, через регулятор (12) изменяют расход топлива и степень его активизации, а через регулятор (16) изменяют напряженность и частоту переменного электрического поля от блока (14) в камере горения (2). Отметим, что электрическое поле в камере горения (3), конкретнее, в зазоре между электродами (2), каталитически воздействует не только на факел пламени, но и на отходящие газы. Сущность этого процесса состоит в том, что ускоряются процессы дробления и окисления радикалов топлива и молекул токсичных окислов, причем, чем выше напряженность этого поля и его частота, тем выше интенсивность горения и очистки токсичных газов. В результате взаимосвязанного регулирования всех перечисленных выше параметров достигается более полное и интенсивное «чистое» сжигание любого топлива.

На Рис. 1б показано фото действующей экспериментальной установки по изучению процессов воздействия электрического поля на процесс горения веществ и очистки отходящих газов. На фото показаны:

1.     Слева — печь с высоковольтным электродом в верхней части корпуса печи;

2.      В центре — вертикальная колонна электроогневой очистки (дожига) токсичных газов в электрическом поле, причем, сверху колонны виден высоковольтный электрод, а слева и справа колонны — соединенные с ней газопроводы подвода-отвода токсичных газов;

3.      Регулируемая воздуходувка изображена на фото справа сверху. Она предназначена для отвода очищенных токсичных газов и соединена газопроводом с колонной;

4.      Внизу на фото показан регулируемый высоковольтный источник напряжения (источник электрического поля), соединенный высоковольтными проводами с печкой и с колонной очистки токсичных газов.

Экспериментально установлено, что сочетание двух ступеней активизации горения (в печи и колонне) обеспечивает идеальную очистку токсичных газов при горении любых токсичных веществ.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Проведенные опыты и исследования многогранного влияния электрического и высокочастотного электромагнитных полей на процесс горения подтвердили реализуемость таких практически идеальных условий горения топлива и веществ [1].

В качестве катализаторов горения были использованы маломощные постоянные и переменные (знакопостоянные и знакопеременные) электрические поля с напряженностью от 1 кВ/см и выше, а также электромагнитные высокочастотные поля малой мощности с частотой тепловых колебаний молекул в факеле (мощностью порядка 0,1-1% тепловой мощности пламени сжигаемого органического топлива).

ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОКИСЛИТЕЛЕЙ В НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Из термодинамики и теории горения известно, что в обычном процессе горения оптимальное соотношение массы окислителя, например, воздуха и топлива составляет примерно 16:1. В наших опытах с электрополевым катализатором экологически чистое горение углеводородного топлива (мазута, солярки) достигалось и при дефиците окислителя (например, при соотношении массы окислителя и топлива 1:1). Для практиков это означает, что имеется реальная возможность снижения объема отходящих газов любых тепловых машин в 10-15 раз при сохранении их прежней мощности. При этом, как показывают опыты, из состава отходящих газов вообще устранялись сажа и углеводороды. Окиси углерода, азота в опытах снижались в 4-8 раз, а светимость пламени увеличивалась в 5-10 раз.

Данные проведенных экспериментов, по сути, подтверждают гипотезу о возможности эффективного экологически чистого горения как процесса прямого преобразования химической энергии органического топлива в энергию электромагнитного излучения факела пламени (включая тепловой и оптический диапазоны). В процессе горения происходит устранение экологически вредных токсичных компонент в отходящих газах в результате многократной интенсификации процесса горения под действием электромагнитных катализаторов.

Введенные в электроогневую технологию операции по регулируемой активизации окислителей топлива обеспечивают дополнительное улучшение процесса горения, особенно при сжигании тяжелых топлив и водо- топливных эмульсий, что проверено нами экспериментально. Особенно эффективным является совместное воздействие на процесс горения путем обработки пламени сжигаемой активизированной топливной смеси с помощью переменного электрического поля.Благодаря введению операции регулирования всех параметров горения (расхода топлива, окислителя, степени их активизации и интенсивности горения), по информации о токсичности выходных отходящих газов удается достичь эффективного горения практически всех известных топлив и отходов. Наши опыты также доказывают эффективность сочетания операций обработки самого пламени, отходящих газов и воздуха (окислителя) переменным электрическим полем. Сущность такой дополнительной очистки отходящих газов состоит в дроблении частиц сажи и дымности электрическими силами переменного поля, а также в доокислении некоторых токсичных окислов 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 универсальность его применения при сжигании любых горючих веществ, что обусловлено расширением 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 (дипольным) окислителем, а также в лучшем перемешивании слоев горящего пламени с окислителем, благодаря устранению двойного электрического слоя на границе факела пламени. Таким образом, данное техническое решение благодаря своим существенным отличиям от аналогов позволяет достичь новых положительных эффектов. Становится возможным расширение сферы применения известного электроогневого способа на процессы сжигания любых горючих веществ. Кроме того, существенно повышается управляемость процесса горения 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, путем изменения параметров электрополевого катализатора горения (напряженности и частоты) продольного электрического (электромагнитного) поля. Вращение и стабилизацию факела пламени получали с помощью поперечного вращающегося электрического поля, изменение высоты факела пламени осуществляли с использованием продольного электрического поля.

Проведенное нами исследование убедительно доказывает, что именно электрическое поле, прямо воздействующее на пламя, и эмиссия потока электронов (идеальный тип окислителя) в пламя могут наиболее эффективно интенсифицировать процесс горения и сделать его экологически чистым и безвредным для человека и для окружающей среды!

Кроме того, экспериментально доказано, что энергозатраты, требуемые на создание и регулирование этого электрического поля и потока электронов, необходимых для интенсификации и экологизации горения, весьма малы по сравнению с энергией горения и составляют доли процента от энергии пламени. Таким образом, как ни парадоксально, наши опыты убедительно доказывают, что лучшие «окислители» и катализаторы горения — это не избыточный воздух и кислород, а электрон и электрическое поле!

РЕГУЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ПЛАМЕНИ И ТЕПЛОВОГО ПОТОКА

Как показали наши эксперименты, электрическое поле может служить не только эффективным катализатором горения, но и регулятором его интенсивности, кроме того оно может управлять даже вектором теплопроводности. Опытами доказано, что можно регулировать параметры этого поля, а также управлять температурой пламени 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. При обычных же 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 проведенных экспериментов можно предположить, что, по-видимому, удельные теплоемкости веществ при данном способе их сжигания на 20-50 % выше, чем при обычном способе. В этой новой физике горения и состоит суть новых электроогневых технологий.

 

На способы управления и интенсификации процессов горения веществ в электрическом поле уже получены патенты на изобретения РФ [3-12].

 

Некоторые особенности распыления, воспламенения и горения органического топлива в электрических полях

 

Мы обсудили еще далеко не все потенциальные возможности и преимущества новой электроогневой технологии для различных сфер техники. Расскажем об этом подробнее.

Одной из характерных особенностей новой электроогневой технологии являются эффекты озонирования окислителя, электростатического распыления и электростатического впрыска электрически заряженных частиц топлива и окислителя с образованием в камере сгорания тончайшего топливовоздушного «тумана» на молекулярном уровне. Естественно, такое тонкое распыление топлива способствует его более легкому испарению, воспламенению и сгоранию, особенно в среде озониранного 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 соответственным уменьшением массы и электрического заряда. Как показали эксперименты, степень дробления топливных капель (частиц) зависит от первоначального электрического потенциала зарядки топлива и первоначальных размеров капель (частиц) инжектируемого топлива, зависящих в свою очередь от конфигурации и размеров топливной форсунки, и давления в топливопроводе тепловой машины.

Одновременно, введенное в зону распыления или (и) горения, например, в камеру сгорания двигателя, катализирующее электрическое поле, образованное двуполярными высоковольтными потенциалами, с помощью Кулоновских сил ускоряет электрически заряженные частицы топлива и окислителя к противоположному электрическому потенциалу, подведенному, например, к поршню двигателя. Таким образом, электрическое поле 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 установках, например, в двигателях внутреннего сгорания, в котельных установках. Их внедрение приведет к дополнительному улучшению энергетических и экологических показателей огневых технологий. По нашим сведениям, такие высокоэффективные электростатические топливные форсунки пока в технике неизвестны и в тепловых машинах (инжекторных ДВС) до сих пор не применялись.

 

Можно ли сжечь воду? Вода в качестве топлива!

 

Еще более поразительные результаты опытов получились при разбавлении (эмульгировании) жидкого органического топлива, например, дизельного на 40-80 % обычной водой. Выделяемая в процессе горения такой смеси, суммарная энергия в виде тепла и света практически не изменилась, что объясняется, по-видимому, высвобождением энергии химических связей не только топлива, но и воды. В процессе экспериментов по сжиганию этой эмульсии вначале посредством капиллярного электроосмоса и электростатического распыления ее превращали в тончайший водяной туман на молекулярном уровне. Далее в сильных электрических полях дипольные молекулы воды, наэлектризованные полем, расщеплялись на водород и кислород с последующим эффективным сгоранием водорода в среде озонированного кислорода. Отметим, что при таком механизме «испарения» воды и последующего расщепления молекул воды на водород и кислород, энергию затрачивает электрическое поле, а теплота сгорания органического топлива лишь ускоряет (катализирует) этот процесс.

Редактор: Необходимо отметить, что электрическое поле не может затрачивать энергию. Если нет токов проводимости, то источник поля не уменьшает разность потенциалов. Отсюда вывод о принципиальной возможности получения неограниченно высокой эффективности подобных энергосистем. Далее автор пишет об этом, как о «непонятном явлении».

Но, самым удивительным и пока до конца непонятным является то, что превращение воды в «туман» и разрывание молекул воды на водород и кислород электрическое поле производит для нас практически бесплатно при минимуме потребляемой энергии. Электрическая мощность высоковольтного преобразователя напряжения, необходимая для создания сильного электрического поля, составляет всего от нескольких ватт до десятков ватт. Как показали опыты, электропотребление высоковольтного источника практически не изменяется при правильном шунтировании электрическим полем факела пламени (через воздушный промежуток). Потребление тока практически не возрастало также и в зависимости от режима распыления топлива и его горения (размеров пламени, интенсивности горения…).

Единственное условие эффективной работы постоянного электрического поля в качестве электростатического насоса-распылителя топлива и катализатора горения топливной смеси — это его напряженность в зоне распыления топлива и в зоне горения пламени, а также достаточная электронная эмиссия в поток топливной смеси. В этом режиме работу по созданию электростатического давления, а также работу по электростатическому дроблению частиц и молекул топлива и воды совершают могучие кулоновские силы, которые отталкивают одноименно заряженные капли воды. Тепловое движение горящих и дробящихся в пламени радикалов топлива лишь препятствует их химическому соединению в зоне горения вновь в молекулы воды, и способствует протеканию именно физической цепной реакции горения водорода в пламени.

Таким образом, дополнительная световая и тепловая энергия, которая выделяется в пламени в результате сгорания водорода, полученного из молекул воды, в озонированном кислороде, в пламени не снижает суммарную энергию горения смеси топлива с водой, а повышает ее.

Таким образом, использование электрических и электромагнитных полей в качестве сильнейших катализаторов горения органических топлив и любых открывает огромные перспективы совершенствования огневых технологий, а также позволяет не только создать экологически чистые тепловые машины и установки, но и повысить их эффективность на 20-50% за счет более полного преобразования химической энергии горючих веществ в тепловую и световую энергии.

Пути радикального совершенствования тепловых машин или

о новом механизме превращения тепловой энергии в механическую и кинетическую энергию

Для ясного осознания причин крайне низкого КПД современных тепловых машин, который во многом и привел, цивилизацию к экологической катастрофе, нужно разобраться с их общим принципом работы и причиной неэффективного использования в них тепловой энергии, получаемой от сжигания топлива.

Механизм превращения тепловой энергии, выделяемой от сжигания топлива, одинаков для всех известных тепловых машин. Данный механизм состоит в создании и преобразовании избыточного давления нагретого рабочего тела (газа, пара и т.д.) в специальных камерах этих машин в кинетическую энергию движения рабочего органа тепловой машины (поршня двигателя внутреннего сгорания, турбины авиационного двигателя, реактивной струи, истекающей из сопла ракетного двигателя и т.д.).

Известно также, что чем выше температура нагретого рабочего тела, например, газа, тем выше первоначальное давление в рабочей камере тепловой машины. Почему же КПД тепловых машин столь низок? Любой грамотный специалист, работающий в области теплофизики, термодинамики, тепловых машин, четко ответит, что эффективность (КПД) преобразования тепловой энергии в механическую определяется вторым началом термодинамики и наиболее наглядно иллюстрируется тепловым циклом Карно. Согласно этих постулатов, КПД идеального теплового двигателя не зависит от рабочего вещества и конструкции двигателя, а определяется только температурами рабочего тела в начале и конце цикла, или, другими словами, температурами нагревателя и холодильника тепловой машины. Реальный же КПД тепловых машин ограничивается тепловой стойкостью материалов и несовершенством конструкций двигателей. Однако известные термодинамические процессы и законы теплового движения частиц и молекул существенно изменяются в сильных электрических полях и открывают новые перспективы для совершенствования тепловых машин.

Решение проблемы в общем виде можно кратко сформулировать следующим образом: для повышения КПД тепловых машин необходим новый механизм перераспределения тепловой энергии в энергию направленного давления сжатого рабочего тела (газа, пара и т.д.) на рабочий орган тепловой машины, при минимальном давлении на боковые стенки рабочей камеры. Можно ли это осуществить практически? Техническое решение, на первый взгляд, неосуществимо, но оно существует. Для перераспределения и упорядочения теплового движения (давления) молекул нагретого газа внутри замкнутого объема, а, следовательно, и его температуры в определенном направлении, необходимо ввести в камеру сгорания тепловой машины постоянное электрическое поле и ориентировать электрическими Кулоновскими силами тепловые движения электрически заряженных и дипольных молекул расширяющихся рабочих тел (газа, пара) вдоль силовых линий данного электрического поля. Нечто похожее происходит в широко применяемых, например, в жидкокристаллических ячейках электронных часов, ячейках Керра (электрооптический эффект) при периодическом наложении на них электрического поля. При этом происходит разворот дипольных молекул вдоль вектора поля, а также изменение световой проводимости этих веществ.

Различие между этим известным в электрооптике явлением и нашим случаем состоит в том, что поляризованные молекулы газа остаются подвижными вдоль силовых линий электрического поля, в отличие от жидких кристаллов, что и приводит к перераспределению параметров тепловой энергии (давления, температуры и теплопроводности) дипольных молекул нагретого газа именно вдоль силовых линий поля. Естественно, степень упорядочения зависит от соотношения тепловой энергии частиц и напряженности электрического поля. Чем больше напряженность этого поля при первоначальной температуре рабочего тела, тем больше разница давлений на боковые стенки камеры и рабочий орган, например, поршень двигателя. Комбинацией трех знакопостоянных электрических полей по всем трем осям координат можно вообще затормозить тепловое движение поляризованных частиц нагретого газа, а, следовательно, существенно и быстро снизить его температуру и давление. В этом случае тепловая энергия нагретого газа скачком переходит в электромагнитное излучение.

 

Редактор: Исторически именно этот метод, то есть удержание плазмы электрическим полем был предложен в 1948 году Олегом Лаврентьевым, который имел всего 7 классов образования и служил в Вооруженных Силах в должности сержанта на Сахалине. После того, как Лаврентьев отправил Сталину письмо с фразой «Я знаю секрет водородной бомбы», он был вызван в Москву для того, чтобы изложить свои идеи академикам. Его идеи не пропали, но схему электростатического удержания плазмы не использовали. (Журнал «ЭКСПЕРТ» №23, 18 июня 2001 г.). В 1950 году Сахаров и Тамм предложили схему тороидального магнитного термоядерного реактора, который пытаются развивать до сих пор. Почему? Это сложно, дорого и практически нереально…

Таким образом, введение сильных электрических полей в тепловые машины позволяет существенно повысить эффективность преобразования тепловой энергии рабочего тела в механическую и кинетическую энергию рабочих элементов машин путем направленного регулирования температуры и давления нагретого газа, например, в начале и конце рабочего хода поршня, т.е. улучшить их КПД.

 

СФЕРА ПРИМЕНЕНИЯ НОВОЙ ЭЛЕКТРОГНЕВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

 

Практическое применение новых огневых и тепловых технологий

 

Новая технология не только крайне эффективна, но и универсальна, т.к. она применима практически во всех сферах техники. Поэтому мы считаем, что дальнейшее развитие и внедрение этой новой технологии сжигания топлива и отходов крайне важно для радикального совершенствования всех тепловых машин и всех огневых технологий. Именно эта новая технология призвана решить острые экологические и энергетические проблемы цивилизации.

В ограниченных рамках одной статьи невозможно подробно рассмотреть все перспективные технические решения, основанные на применении данной технологии [1-26], поэтому приведем только один яркий пример.

Экологически чистый двигатель для автотранспорта

Поскольку наибольший экологический вред окружающей среде наносит транспорт, использующий тепловые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), то вначале обсудим пути их экологического и энергетического совершенствования. Несколько лет назад мною уже был запатентован «Способ интенсификации работы ДВС»[7]. Сущность изобретения состоит во введении регулируемого электрического поля в камеры сгорания на все время работы двигателя через специальные одноэлектродные свечи зажигания (Рис.2).

 

 

 

 

Рис. 2а

Блок-схема экологически чистого ДВС (для транспорта)

1  — камера сгорания

2   — поршень; 2 — а термостойкое покрытие поршня (зона электроискрового заряда)

3, 4 — впускной и выпуской клапаны (их каналы не обозначены)

5       — комбинированная однолектродная свеча зажигания — форсунка с полным центральным электродом и торцевым дисковым электродом 5-а

6   — электроизолятор свечи — форсунки

7   — топливный насос ( например, электростатический)

8   — высоковольтный регулированный преобразователь (источник электрического поля)

9    — силовой блоквысоковольтного преобразователя напрежения (= 12 в/25 кВ)

10    — система управления источником электрическим полем (9)

11    — бортовая электрическая сеть = 12 в. (АБ — аккумуляторная батарея автомобиля)

На данной блок-схеме упрощенно показаны основные узлы нового ДВС с направленным давлением газов на поршень. В частности, здесь реализованы многие изобретения автора: использованы гибридная свеча зажигания — электростатическая форсунка (5), электростатический насос топлива (7). Реализован новый режим объемного воспламенения топливной смеси «искра с дискового электрода (5-а) на поршень (2-а)». Благодаря регулированию напряженности электрического поля от высоковольтного источника напряжения (8) можно регулировать угол опережения воспламенения топливной смеси и давление газов на поршень в рабочем такте работы ДВС.

 

На Рис. 2б упрощенно показана в объеме конструкция предлагаемого энергетически и экологически совершенного ДВС. На нем видны камера сгорания, поршень, клапаны, одноэлектродная свеча зажигания и совмещенная с ней электростатическая топливная форсунка (по центру, сверху). В центре камеры сгорания изображено воспламенение топливной смеси при возникновении искры с торцевого электрода на поршень.

В результате, достигается суммарный положительный эффект экологического, конструктивного и энергетического совершенствования ДВС: эффективная очистка выхлопных газов непосредственно в камерах сгорания двигателя, существенное упрощение и усовершенствование систем впрыска топлива, распределения и электрозажигания топливной смеси. В таком 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 оно ориентирует тепловое движение расширяющихся газов в его камерах сгорания на рабочем такте ДВС именно вдоль оси поршней. Это приводит к перераспределению тепловой энергии и увеличению давления этих газов именно на поршни, что значительно улучшает эффективность преобразования тепловой энергии от сгорания топлива в механическую энергию движения поршня (теоретически в два-три раза), т.е. вдвое-втрое повышая КПД классического теплового двигателя, доводя его до 70-80%.

Электрическое поле, введенное в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания, обеспечивает также существенную экономию топлива (до 30% — 40%) при сохранении его рабочих характеристик. Это происходит за счет тонкого электростатического распыления и электризации топлива, озонирования окислителя, вследствие глубокого дожига углеводородных компонент топлива горящей смеси 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.

 

На основе данных технологий автором настоящей статьи запатентованы и другие технические решения по совершенствованию котельных и факельных установок, газотурбинных и реактивных двигателей, а также многих других тепловых машин и установок. Данные разработки позволяют повысить эффективность подобных установок при одновременном существенном улучшении их экологических показателей. Для примера использования данной технологии в теплоэнергетике показана диаграмма операций технологии чистого сжигания отходов нефтепереработки в качестве топлива в котельных установках (рис.3). К сожалению, ограниченные рамки одной статьи не позволяют более подробно рассказать об этих изобретениях, однако автор готов осуществить это в последующих публикациях.