Рисунок 1.
Предисловие. Предлагаемая ниже конструкция была заявлена в качестве изобретения 24.08.2005 (заявка № 2005127654/15(031046)) и успешно прошла формальную экспертизу. Однако при проведении экспертизы по существу автор получил от "ведущего государственного патентного эксперта отдела лекарственных средств и неорганической химии Н.Н. Целиковой" запрос, в котором, в частности, сказано следующее:
"<…>На с. 4 абз.2 указано: "в связи с тем, что основные процессы происходят также, как и в прототипе, то на рисунке 1 не показаны электрические цепи, жидкостные и газовые коммуникации, привод и другие вспомогательные механизмы, также как не обсуждаются процессы электролиза, теплообмена и др." <…>
Следовательно, в описании не подтверждена возможность реализации указанного в формуле назначения - эндотермического расщепления молекул воды путем гравитационного электролиза".
Учитывая, что заявлялась конструкция, предназначенная для улучшения механических характеристик генератора, работоспособность которого уже доказана прототипом, в котором экспериментально проверено "эндотермическое расщепление молекул воды путем гравитационного электролиза", обсуждать конструктивные тонкости со специалистом "по лекарственным средствам и неорганической химии" автор счел бессмысленным и решил опубликовать описание изобретения. Разумеется, здесь не приведена формула изобретения, в остальном текст описания не изменен.
Известен метод получения водорода из воды электролизом. Хотя электролизеры совершенствуются давно, стоимость получения водорода таким способом остается достаточно высокой. Известны и различные другие способы разложения воды и получения из нее водорода, например, восстановлением его активными металлами, углеродом или углеводородами и тому подобное (журнал “Автомобильный транспорт”, №4, 1992, с.38). Попытки использовать для этой цели более дешевую тепловую энергию с помощью термохимических циклов пока не увенчались успехом, хотя к настоящему времени предложено более 1000 циклов.Наиболее перспективным направлением представляется предложенный Г.И. Кудымовым и В.В. Студенниковым (РСТ ©, Заявка № RU98/00190 от 07.10.97г.) электроводородный генератор (ЭВГ), использующий эндотермическую реакцию расщепления молекул воды с разделением ионов методом гравитационного (инерционного) электролиза раствора электролита. Он приводится в действие механическим приводом и работает при обычной температуре в режиме теплового насоса, поглощая через свой теплообменник необходимое при этом тепло из окружающей среды или утилизируя теплопотери промышленных или транспортных энергоустановок
Физическая сущность рабочего процесса ЭВГ весьма проста, полностью экспериментально доказана и является логическим развитием известных физических опытов Толмена и Стюарта, осуществленных ими в 1916 году. Известно, что электролит при растворении диссоциирует на ионы, которые гидратируются молекулами воды. В результате вокруг них образуются гидратные оболочки различной прочности. Энергия взаимодействия гидратированных разноименных ионов друг с другом резко уменьшается и становится близкой энергии броуновского движения молекул воды. Если концентрированный раствор диссоциированного электролита, имеющего значительную разницу масс аниона и катиона, поместить в сильное искусственное гравитационное (инерционное) поле, например, вращать его в емкости ЭВГ, произойдет частичная сепарация ионов. При этом тяжелые ионы смещаются к периферии емкости и создают пространственный концентрационный электрический потенциал. Вблизи анода результирующая центробежная сила, действующая на прижатые к аноду ионы (анионы) разрушает их гидратные оболочки, как наиболее слабые. Легкие ионы окружены более прочными оболочками, поэтому не могут полностью отдать тяжелым ионам свои электроны. В силу этих обстоятельств они сосредотачиваются над тяжелыми ионами и в области оси вращения (у катода), образуя электрический потенциал противоположного знака.При достижении необходимой минимальной пороговой частоты вращения емкости с данным электролитом (которая для различных электролитов и параметров устройства может достигать 40000 об/мин) и принятыми конструктивными параметрами устройства , т.е. критической величины электрических потенциалов на электродах, равновесие зарядов нарушается. Происходит обмен электронами между электродом и ионами через посредство гидратной оболочки. Иначе, говоря, происходит своеобразный пробой электролитического конденсатора и разряд ионов с образованием на катоде свободного водорода, а на аноде кислорода и анодных газов (осадка).
Электролит в этом процессе требует постоянного разбавления его водой до начальной концентрации и поглощает теплоту через теплообменник. Принципиальная энергетическая схема процесса во многом схожа со схемой традиционного электролиза, но в нем не применяется внешний дорогостоящий электрический ток, а используется более дешевая теплота окружающей среды или иных источников.На основе этого принципа в 2002….2005 г.г. фирма ООО “АЛАМБИК АЛЬФА” разработала, изготовила, испытала центробежный ЭВГ и защитила его патентом (патент № 2224051, международный патент № PCT/RU 03/00413 от 18/09/2003). Указанная выше фирма изготовила несколько ЭВГ (ЭВГ-1, ЭВГ-2 и ЭВГ-3). Все эти установки представляли собой тщательно сбалансированный барабан (далее реактор), заполненный сернокислотным электролитом и приводимый во вращение электродвигателем. Циркуляция электролита и отвод газов осуществлялась через каналы в осях реактора. На ЭВГ-3 фирма произвела тщательные и многоплановые исследования. Как и следовало ожидать, и расчеты, и эксперимент подтвердили наличие эффекта и зависимость производительности от размеров реактора, прежде всего, его радиуса, угловой скорости вращения и подводимой тепловой энергии. При этом была получена производительность по водороду более 20 л/час в реакторе радиусом 13 см на скорости вращения 6800 об/мин.
В своих экспериментах В.В. Студенников получал в реакторе радиусом 30 см с использованием электролита на основе HBrO3 на скорости вращения около 5,5 тыс. об/мин производительность около 200 л/час, следовательно, производительность зависит и от состава электролита. Все же основным способом увеличения производительности является увеличение размеров реактора и скорости вращения. Однако это связано с увеличением момента инерции вращающегося реактора, поэтому, даже не останавливаясь на прочностных ограничениях, такой путь приемлем только для стационарных установок.Между тем, сами авторы предлагают ЭВГ в качестве источника горючего для транспортных средств, в которых реактор, будучи установлен жестко, при различных эволюциях будет развивать значительные гироскопические моменты. Карданная же его подвеска будет сопряжена с возможностью утечек взрывоопасного газа.
Эти недостатки можно устранить, отказавшись от вращения корпуса реактора и обеспечив вращение электролита в неподвижном корпусе. Такое решение сразу же снимает все проблемы канализации электролита и генерируемых газов через вращающиеся сочленения, упрощает требования к балансировке и значительно уменьшает величины гироскопических моментов при изменениях пространственного положения реактора.Предлагаемое решение показано на рисунке 1.
Работает предлагаемый агрегат следующим образом:В таком стационарном вихре осуществляются все процессы, происходящие в прототипе и сохраняются все, справедливые для прототипа, расчетные соотношения, кроме моментов инерции реактора, так как вращающаяся масса сводится к минимально необходимой. Наличие у боковой поверхности реактора связанного с ней неподвижного пограничного слоя электролита, в котором и происходит выделение основной массы газообразного кислорода, если состав электролита не подразумевает его вовлечения в другие реакция, и перфорация дисков обеспечивают концентрацию кислорода в удаленной от вала-активатора зоне у верхней радиальной поверхности реактора, откуда и удаляется. В то же время генерируемый у поверхности вала газообразный водород поднимается вверх вдоль вала и собирается у верхней поверхности реактора вблизи вала, что позволяет разделить получаемые продукты сепаратором 4, образовав отделенные друг от друга зоны сбора газов, из которых последние и удаляются через неподвижные патрубки 5 (кислород) и 6 (водород) в корпусе реактора. Тем самым устраняются вращающиеся сочленения и в газовых каналах, и в коммуникациях электролита. Это существенно повышает безопасность эксплуатации установки. Минимизация количества вращающихся элементов резко уменьшает суммарный момент инерции установки и делает ее удобной для использования в транспортных средствах.
Корпус реактора через циркуляционные патрубки 7 заполняется электролитом, который в процессе работы циркулирует в теплообменном контуре. Вращающийся от внешнего привода вал с перфорированными дисками приводит электролит во вращение, создавая стационарный вихрь.
В связи с тем, что основные процессы происходят так же, как и в прототипе, то на рисунке 1 не показаны электрические цепи, жидкостные и газовые коммуникации, привод и другие вспомогательные механизмы, так же как и не обсуждаются процессы электролиза, теплообмена и т.п.Требуют отдельного обсуждения только вопросы механического взаимодействия жидкой компоненты с валом-активатором и его дисками и процесс образования и поддержания стационарного вихря. Подобные вопросы изучены в гидродинамике достаточно подробно. В общем виде образование стационарного вихря в коаксиальных цилиндрах, из которых внешний неподвижен, а внутренний вращается, подчиняется течению Куатта.
В нашем случае внутренний цилиндр не является гладким, а снабжен дисками, что можно описать, введя эффективный радиус Rэ (Rд >Rэ >Rв), где Rд - внешний радиус диска, Rв - радиус вала. Естественно, что величина эффективного радиуса будет существенно зависеть, прежде всего, от вязкости электролита и расстояния между дисками вдоль оси вращения.Исходя из задачи получения монотонного инерционного поля в находящемся в неподвижном реакторе электролите, следует исключить возможность обратной циркуляции жидкости в пространстве между дисками вала-активатора. Для этой цели следует использовать эффект образования пограничного слоя в жидкости конечной вязкости. Аналитически выразить толщину ламинарного пограничного слоя у перфорированного вращающегося диска, на наш взгляд, не представляется возможным. Безусловно, приемлемый результат можно получить на математической модели, но гораздо быстрее и надежнее выполнить прямое физическое моделирование на конкретном электролите.
Однако нет оснований предполагать, что этот слой окажется меньше слоя вытеснения для гладкой плоскости, который и можно принять за основу при конструировании вала-активатора. В таком случае диски следует располагать на расстоянии двух слоев вытеснения, рассчитанных для вязкости данного электролита. Учитывая, что перфорация приведет к значительному увеличению толщины слоя по сравнению с гладким диском, такой прием, по крайней мере, при предварительных расчетах, вполне приемлем.Следует отметить, что вблизи внутренних поверхностей неподвижного корпуса также возникает ламинарный пограничный слой, но уже неподвижный. Его наличие, помимо уже указанной ранее сепарации газов, обеспечивает циркуляцию электролита в контуре теплообмена без дополнительных приводных устройств, так как давление в слое вблизи наружной стенки корпуса существенно выше давления вблизи вала.