К вопросу получения тепловой энергии с помощью электрогидравлического эффекта

В данной работе рассматривается вопрос, связанный с получением тепловой энергии порождением в воде электрогидравлического эффекта (ЭГЭ). А сам ЭГЭ называется эффектом Юткина. Тепловая энергия снимается из взрывной зоны высоковольтного разряда. При этом показаны трудности изъятия тепла из зоны высокой температуры, возникающие при ЭГЭ. Предложена методика оценки герметической емкости с жидкостью для осуществления ЭГЭ и емкости без ковиататора, для изъятия тепловой энергии. Такая оценка произведен c помощью схемы Максвелла. Такой подход для выбора емкости упрощает конструкцию теплогенератора.

Ключевые слова: эффект Юткина, электрогидравлический эффект, тепловая энергия, разряд, взрывная зона, схема Максвелла.

Введение. Второй закон термодинамики устанавливает зависимость, согласно которой теплообменные процессы при конечной разнице температур необратимы и могут протекать только в одном направлении — от горячих тел к холодным с установлением равновесия в системе. Принцип необратимости состоит в том, что если в изолированной системе есть разница температур и система предоставлена сама себе, то с течением времени температура все более выравнивается и работоспособность замкнутой системы падает до нуля. Этот закон также утверждает, что процесс, единственным результатом которого является превращение тепла, полученного от нагревателя, в эквивалентную ему работу [1]. Интересно, что мощнейший гидроудар с локальным давлением выше ста тысяч атмосфер, возникающий при прохождении искрового разряда высокого напряжения через водный промежуток, теоретически трудно объяснить этим законом термодинамики. Разрушающий гидроудар с выделением огромной тепловой энергии в ЭГЭ делает этот эффект практически очень полезным для народного хозяйства [2]. Особенно для получения дешевой тепловой энергии.

Цель работы. Разработать конструкцию получение тепловой энергии на основе электрогидравлического эффекта без кавитатора.

Метод решения. Электрогидравлический эффект практически очень хорошо изучен и внедряется на практике. Мощный высоковольтный электрический импульс с крутым передним фронтом вызывает различные физические явления. Такие как появление сверхвысоких импульсных гидравлических давлений, электромагнитное излучение в широком спектре частот вплоть, при определенных условиях, до рентгеновского, кавитационные явления.

При этом температура жидкости возрастает несоизмеримо быстрее затраченной на ЭГЭ электроэнергии и обеспечивает получение сверхдешевого тепла из воды [3]. Как отмечается в работе [2], процесс представляет собой электрический взрыв в жидкости и практически мгновенное выделение энергии в заданной точке. Здесь возникает проблема, связанная с изъятьем выделенного тепла. Так как, в ходе исследований Л. А. Юткин установил, что при пробое жидкости по основной схеме возникает зона высокого давления , и зона высокой температуры и имеющая характерную форму (рис.1, Е). Для наглядности мы схематически делим эту зону на ряд участков . Во-первых,если емкость для получения тепловой энергии не будет находиться в зоне высокой температуры, то ЭГЭ может разрушить всю конструкцию теплогенератора. Во-вторых объем емкости надо выбрать таким образом, зоны Д,Г,В должны быть охвачены этой емкостью. С другой стороны, тепловая энергия выделяемое при ЭГЭ равно площади заштрихованной зоны мбнсо (рис.1.,Х), т.е выполненной работы при фазном переходе жидкости [1].

Рис.1. Е) Схема формы и расположение зон давление вокруг искрового разряда в начальный период: 1- электроды; 2- зоны давления. Х) Схема Максвелла

Е):

Б — зона разрушения; почти все материалы разрушаются на дисперсные частицы, а жидкость в ней, по-видимому, приобретает свойства твердого тела модуль сдвига жидкости заведомо меньше ране предложенных 10 ¹⁰ дин/см ² , а время релаксации жидкости много больше, чем также ранее предполагавшийся 10 ^–10 10 ^–12 сек [3]. Отсюда предположения о возможном приобретении жидкостью в зонах, ближайших к зоне разряда, свойств твердого тела представляется вероятным.

Д — зона сжатия; давление очень быстро убывает с увлечением расстояния от источника возникновения. Наблюдается перемещение больших объемов жидкости.

Помещение металлов в зону разрушение(Б) на расстояние, меньшее половины длины искры, невозможно, так как возникает пробой на металл(замыкание по металлу). Зоны В, Г, Д, окружающие зону разрушения, имеют соответственно большие размеры и высокую температуру.

Х):

Как было показано Максвеллом, если представить себе переход из состояния б в состояние с (рис.1,Х), то независимо от того, будет ли совершен по однофазной кривой бенкс или по двухфазной прямой бс, он должен сопровождаться одной и той же работой. Так как работа на диаграмме в координатах Р, V равна площади под соответствующим участками диаграммы, то площадь под кривой бенкс должна быть равна площади под прямой бс . Отсюда очевидно, что прямая бс расположена так, чтобы площади заштрихованных косыми линиями областей были бы равны друг другу(рис.1, Х). На основе этих соображений можем определить объем емкости, которую мы должны установить, чтобы получить тепловую энергию из зоны эффекта Юткина. Объемом емкости будет заштрихованная площадь, показанная на рис. 1,Х.

При наличии ЭГЭ температура жидкости возрастает несоизмеримо быстрее затраченной на ЭГЭ электроэнергии, что позволяет строить на данном эффекте высокоэффективные нагревательные приборы [4]. Данное свойство нагрева проявляется совместно с вышеуказанным свойством локального повышения давления, что делает целесообразным использование одновременно двух этих свойств (рис.2). Для практического осуществления получения тепловой энергии из эффекта Юткина воспользуемся устройством, предложенным в работе [5]. Отличие предлагаемой установки от установки Дудышева В. Д. [5] заключается в использовании трех герметических объемов 1, 8, 9 для получения тепловой энергии из зоны Д, Г, В (рис. 1,Е) не имеющих кавиататора (рис.2). Здесь возникает трудность с выбором герметического объема 9 (рис.2). В предлагаемой конструкции этот объем выбирается с помощью схемы Максвелла и уравнения Ван-дер-Ваальса [6]:

где р — давление, оказываемое на газ извне (равное давлению газа на стенки сосуда), а и b — константы Ван-дер-Ваальса, имеющие для разных газов различные значения, определяемые опытным путем. В случае если давление выражено в ньютонах на квадратный метр, а объём — в кубических метрах на киломоль, то константа а имеет размерность н ‣‣‣ м ⁴ /кмоль ² , а константа b — м ³ /кмоль. Иногда константу а выражают в am*л ^2/ моль ² , а константу b— в л/моль.

Рис. 2. Установка получения тепла с помощью ЭГЭ без кавиататора: 1 — емкость герметичная с жидкостью; 2,3 — воздушная полость; 4,5 —электроды; 6,7 —электрические изоляторы; 8,9 — герметические емкости для получения тепловой энергии; 11 — преобразователь напряжения; 12 —первичный источник электроэнергии; 13 — система управления частотой и амплитудой электрических импульсов; 14 — датчики температуры, давления; 15 — зона электрического разряда; 16 — зона испарения жидкости; 17 — получение тепловой энергии.

Объемы 1,8,9, как уже отметили, определяются с помощью схемы Максвелла и уравнением Ван-дер-Ваальса.

Принцип работы установки . Сущность генерации тепла данным устройством заключается в следующем. В результате электрических разрядов в жидкости и следующих за ним электрогидравлических ударов возникает кавитация, и жидкость нагревается. Дело в том, что вследствие циклических электрических разрядов в жидкости между электродами образуется плазменная зона Е (рис.1), затем в этой зоне практически мгновенно возникает парогазовая полость высокого давления, с энергией в десятки раз больше, чем потраченная на электрический разряд. Выделенная в процессе электрической молнии и ЭГЭ — удара энергия давления пара и химическая энергия Н ₂ -паратопливного газа из жидкости приводит к волнам высокого давления в жидкости и ее интенсивному нагреву через кавитацию сгорание Н ₂ -парагаза. В результате, поскольку после каждого импульсного электрического разряда в жидкости образуется новая Н ₂ — паровая полость, то следует новый взрыв после поджига Н ₂ и последующая волна давления жидкости. При движении этой волны образуется мощная кавитация на герметических емкостях 8,9. Вследствие интенсивного схлопывания кавитационных пузырьков и сгорания Н ₂ -парогаза в жидкости выделяется значительная тепловая энергия. Это энергия через подается 17 получателю. Интенсивность тепловыделения в жидкости регулируется частотой, амплитудой и длительностью импульсов напряжения.

Расчет эффективности установки ЭГЭ [4].

Как известно, электролиты эффективно преобразуют электроэнергию в тепло с КПД, близким к 100 %. Однако есть возможность получить аномально высокую тепловую энергию из воды с применением эффекта Юткина и кавитации. По нашим измерениям и расчетам его эффективность (коэффициент эксергии) выше единицы. Допустим, вычислим тепловую энергию воды за 30 мин нагрева.

1. Опыты состояли в нагреве 5 литров воды установкой СГЭД разрядником и блоком высокого напряжения (ВН) с исходной температурой 10 ⁰ С до 60 ⁰ С за 30 мин. Проблемная мощность из сети на блок электроники ВН составляет порядка 200 ватт, входной эл.ток примерно 0.9 А, при напряжении 220 В, 50 Гц. Входная электрическая мощность составляет 200 Вт. Значит за 30 мин из электросети взято электроэнергии:

W= 200·30·60 = 360 кДж

Далее рассчитаем примерно тепловую энергию, выделяемую в воде (5 литров) в процессе ее нагрева за 30 мин от ЭГД ударов и кавитации. Расчет тепловой энергии производится по формуле

Q= c ₁ m ₁ (t — t ₁ )

Q= c ₁ m ₁ (t — t ₁ ) = 4200·5·50= 1050 кДж

Здесь:

Q — тепловая энергия (Дж)

с — теплоемкость воды 4200(Дж/кг·Град)_

t — t ₁ - разность температур воды до и после нагрева = 60–10=50

m ₁ - масса воды = 5кг.

Сравним энергию, затраченную на нагрев воды и выделенную тепловую энергию в воде с помощью ЭГД эффекта Юткина.

Потраченная энергия за 30 мин — 360 кДж.

Выделенная энергия 1050 кДж. Значит коэффициент эксергии = 1050 кДж : 360 = 360 =2.9 или 290 %.

Выходная тепловая мощность ЭГД теплогенератора 1050000: 1800 сек. (30 мин) = 583 Вт. А входная электрическая мощность =200 Вт. Коэффициент эксергии = 583 : 200 = 2.915 или 290 %.

— является эффективной энергосберегающей технологией теплоснабжения;

— имеет научно-техническую значимость;

— обладает огромным социальным значением;

— имеет коммерческие перспективы их массового внедрения в недалеком будущем.

Предложен ЭГЭ метод для одновременного дешевого получения тепловой, кинетической и электрической энергии без кавиататора. Предложен ЭГЭ метод перевода водяного пара в дешевое газообразное топливо и устройства для его осуществления. Предложены и показаны в конструкциях и обоснованы новые эффективные методы получения дешевого тепла, кинетической энергии и электроэнергии на основе эффекта Юткина. В случае доведения этих изобретений до опытно-промышленных образцов и серийного производства предложенные устройства уже вскоре могут широко применяться во многих сферах техники и энергетики.

Литература:

1. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. - М. Физматгиз, 1963 г., 500 стр.
2. Юткин Л. А. Электрогидравлический эффект и его применение в промышленности ' Л., Машиностроение, 1986 г.
3. Дудышев В. Д. Новый метод преобразования энергии электрогидравлического удара — эффект Юткина в тепло и иные виды энергии. Новая Энергетика. 2005. № 1.
4. Дудышев В. Д. Новый метод преобразования энергии электрогидравлического удара — эффект Юткина в тепло и иные виды энергии. Новая Энергетика. 2005. № 1. — База Данных Технологий. [Электронный ресурс] URL: sciteclibrary.ru›rus/catalog/pages/12645.html (дата обращения: 5.09.2016).
5. Дудышев В. Д. Способ преобразования энергии электрогидравлического удара. Пат. РФ № 2157893, 1997 г.
6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Наука, 1975. — Т. II. Термодинамика и молекулярная физика. — 519 с.