Развитие проекта “Плазменно-электрохимические генераторы тепловой энергии”
И.Л. Клыков, С.В. Коперник, Н.В. Щаврук.
Научные руководители – Ю.А. Попов, д.т.н. профессор, В.Г. Гришин, инженер Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Международный научно-технический парк “Технопарк в Москворечье” Межфакультетская научная группа“DIAMOND -МИФИ”
Проведен 1 й этап ОКР “Разработка плазменно-электрохимических генераторов тепловой энергии”. Изготовлены демонстрационные образцы парогенераторов марки ИГРА –3/2 и ИГРА 3/3. Составлены эскизные проекты “Котлы автоматические электрические водяные марки ИГРА – 10 и Игра – 12”. Разработана программа изготовления опытного образца генератора водорода марки ИГРА – 5.
1.Введение
В конце 2001 г. предложен [1] инновационный проект использования плазменно-электрохимических процессов для генерации тепловой энергии в трех видах технического исполнения: отопительный агрегат, экспресс-парогенератор, генератор водорода. Ввиду ожидаемого большого объема работ был увеличен студенческий коллектив, привлечены к сотрудничеству ИЗМИРАН (Ю.Н. Бажутов) и ИПРИМ РАН (В.Ю. Великодный). Это позволило обеспичить развитие проекта необходимыми научными проработками [2, 3, 4] и подготовить научно-техническую базу гарантиям освоения ожидаемого финансирования.
В тоже время надо констатировать, что за истекший год не произошло существенных прорывов. Проводимая авторами ОКР по использованию тепловых эффектов атомно-ядерных процессов, протекающих в плазмодинамическом (ПД) реакторе, в фундаментальной части является комплексом гипотез выработанных в результате экспериментально-аналитического обобщения [5] нескольких сотен разнородных исследований за 200-летний период развития “Плазменной электрохимии” – науки не имеющей пока официального статуса.
2.Демонстрационные образцы парогенераторов.
- Современная механизированная штукатурка в Москве позволяет существенно ускорить процесс отделки стен и потолков в строительных проектах.
- С помощью современных механизированных систем штукатурки возможно достичь высокой точности и качества отделки, сократив при этом затраты на ручной труд и материалы.
- Механизированная штукатурка в Москве используется как в жилищном строительстве, так и в коммерческих проектах, позволяя создать эффективное решение для любого проекта отделки.
Принцип “втягивания” насыщенного водяного пара любых параметров из оболочки катодного плазменного сфероида описан авторами в [6]. Демонстрационные образцы парогенераторов изготавливались по шаблону лабораторного образца ИГРА 3/1, созданного в результате проведения НИР на кафедре “Физика плазмы” МИФИ.
2.1. Парогенератор периодического действия ИГРА 3/2.
Парогенератор изготовлен на базе термоса из нержавеющей стали объемом 4 дм 3. Запуск производится посредством залива в него до 3 дм 3 водопроводной воды, закрытие его специальной крышкой и подключением блока питания к напряжению 220В. Не более чем через 2 минуты из пласмассовой трубки, выходящей из крышки, к потребителю начинает поступать пар давлением до 0,2 МПа (температура – 390 К). При мощности 2 кВт (ток 10А) парогенератор вырабатывает не менее 3 кг пара в час. Блок питания состоит из диодного моста и лабораторного автотрансформатора с регулируемым напряжением на выходе в диапазоне 0-250В при силе тока до 10А.
Парогенератор ИГРА-3/2 демонстрировался на международном промышленном салоне “Архимед 2002”. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию блока питания, проектированию АЦП и созданию демонстрационного образца ИГРА- 3/2У на основе сифона с цельнолитым корпусом из нержавеющей стали.
2.2. Парогенератор непрерывного действия ИГРА 3/3.
Так как данный парогенератор стационарно подсоединен к коммунальному водопроводу, то емкостью служит двухдюймовая труба из нержавеющей стали. С обоих концов она закрыта крышками, из которых выходят пластмассовые трубки. Из верхней крышки выходит шнур питания, включением которого в сеть напряжением 220 В производится запуск парогенератора. Подача в емкость воды из водопровода осуществляется через штуцер, находящейся в верхней части трубы.
На рис. 1 представлена пневмомеханическая эквивалентная схема системы “подсоса” воды в парогенератор. Выход на стационарный режим парогенератора ИГРА 3/3 производится не более чем через минуту после включения в электросеть и подачи воды: к потребителю начинает поступать водяной пар давлением до 0,3 МПа (температура до 400 К).
Опытный образец парогенератора ИГРА 3/3 демонстрируется в ИПРИМ РАН. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию его дизайна для ускорения поиска спонсора по созданию пилотного образца.
3. Проекты котлов автоматических электрических водяных.
В ходе многочисленных демонстраций парогенератора непрерывного действия ИГРА 3/3 потенциальные заказчики, высказали пожелания исследовать возможность применения парогенераторов этого типа в различных системах отопления. Большинство отечественных предпринимателей игнорируют тот факт, что парогенераторы марки ИГРА – это научно-технический прорыв в обеспечении водяным паром в первую очередь предприятий, эпизодически нуждающихся в этом энергоносителе всего диапазона возможных параметров, где строительство котельной с паровыми котлами экономически невыгодно. В такой ситуации авторами составлены эскизные проекты для типовых отопительных систем в соответствии с пожеланиями наиболее авторитетных потенциальных заказчиков.
3.1. Котел автоматический для типового помещения площадью 250 м 2.
Котел встраивается в систему типового центрального отопления так же, как и широко распространенные газовые котлы типа АГВ, то есть в данном случае он заменяет котел АГВ –250. Котел АЭВ – 250 (автоматический электрический водяной для площади помещения 250 м 2 ) более чем в пять раз легче АГВ –250 и легко переносится. Основное применение - там, где подводка стационарного газа экономически невыгодна. При эксплуатации АЭВ – 250 потребление электроэнергии в максимуме составит мощность 15 кВт.
Котел представляет из себя три четырехдюймовые пластмассовые трубы с фланцами длинной 700 мм каждая. Сборка котла состоит во фланцевом соединении этих трех труб и установки образовавшейся сборной трубы в вертикальное положение. По стандартной схеме монтажа котлов типа АГВ в систему центрального водяного отопления котел АЭВ–250 верхним фланцем соединяется с “прямой линией”, а нижним фланцем – с “обратной линией” системы центрального водяного отопления. Затем образовавшаяся система заполняется водой – и она готова к эксплуатации. Запускается АЭВ – 250 включением пакетного электрического выключателя.
На рис. 2 представлена принципиальная схема отопительной системы с использованием АЭВ –250.
Парогенераторы погружены в циркулирующий по системе водяной поток. При этом вырабатываемый ими водяной пар подается в змеевики, вмонтированные в пластмассовые трубы, который, конденсируясь, возвращается в парогенератор. Питание осуществляется от трехфазной электросети, корпуса парогенераторов дополнительно заземляются.
В гидроаэродинамической схеме АЭВ – 250 присутствует не менее двух не имеющих аналогов элементов, которые обеспечивают конкурентноспособность котлов этого типа.
3.2. Бойлер-подогреватель серии ИГРА-10.
Перед авторами была поставлена задача обеспечить нагрев отработанной горячей воды с температурой 342 К для повторного использования, которую обычно возвращают из теплового пункта (ТП) на ТЭЦ.
Конечная температура нагрева – 363 К; максимальный расход воды – 3 дм 3 /с; соответствующая необходимая тепловая мощность – 260 кВт;
Парогенераторы марки ИГРА 3/3 полностью погружаются в водяной поток, в связи с чем могут быть приняты за новый тип ТЭН-ов. Однако такая характеристика неправильна: часть водяного потока проходит через ПД-реакторы, отдавая свои протоны и дейтроны для атомно-ядерных процессов, выделяющих тепловую энергию, – поэтому авторы назвали их АТВЭЛ-ами. На рис. 3 представлены принципиальные схемы АТВЭЛ и их последовательного и параллельного соединения в системе подачи горячей воды потребителю.
В виду срочности задания в спроектированном бойлере подогревателе задействованы испытанные парогенераторы марки ИГРА-3/3. Так как в проекте применены системы, не имеющие аналогов, бойлер подогреватель маркирован как первая модель серии ИГРА-10, то есть ИГРА 10/1.
4. Программа работ по изготовлению опытного образца генератора водорода ИГРА -5/1.
Конечной целью творческого студенческого коллектива является создание парогенераторов марки ИГРА 3/3?3/10 и генераторов водорода марки ИГРА 5/1?5/10. В случае решения проблемы производства дешевого водорода будет реализовано снабжение потребителей энергией “в розницу”. В проведенной на кафедре “Физика плазмы” НИР установлена возможность получения водорода себестоимостью ниже получаемого в настоящее время. За прошедший год авторами проведены научно-технические проработки ключевых узлов плазменно-электрохимического генератора водорода, позволивших составить программу работ по созданию опытного образца ИГРА 5/1.
Программа
Наименование работ Стоимость,
млн. долларов
1. Разработка и изготовление
плазменно-электрохимического аппарата. 0,2
2. Разработка и изготовление диагностик приборов
для плазменно-электрохимических процессов 0,4
3. Разработка и реализация системы
имитационного моделирования
“вход: водородосодержащее сырье -
- выход: водород заданной стоимости” 0,1
4. Изготовление демонстрационного образца
генератора водорода 0,05
5. Изготовление пилотного образца
генератора водорода производительностью 1?5 м 3 Н2 /час 0,15?0,25
В качестве иллюстрации к проведенным опытно-конструкторским проработкам на рис. 4 представлены полученные результаты.
5. Дальнейшее развитие.
В случае дальнейшего отсутствия финансирования ОКР планируется проводить по следующим параллельным направлениям.
1. Продолжение увеличения студенческого коллектива и привлечение к сотрудничеству научных организаций по профилям: плазменная электрохимия, физхимии твердого тела, атомно-ядерных процессов, энерго-массообмена.
2. Продолжение опытно-конструкторских проработок последовательно возникающих научно-технических проблем в работах по плазменно-электрохимическому генерированию водяного пара, водорода, тепловой энергии. В настоящее время такой проблемой является анодный электрический разряд в электролите [6].
В случае открытия финансирования направление работ будет согласовано с заказчиком с уведомлением его о том, что по проблеме генерации водорода первоначальное субсидирование работ суммой менее ста тысяч долларов не сможет обеспечить гарантии положительного практического результата, но будет спонсированием продвижения в решении одной из важнейших энергетических проблем современности.
Список литературы:
1. И.Л. Клыков, Н.В. Щаврук. – научные руководители Ю. А. Попов, В.Г. Гришин, - Плазменно-электрохимические генераторы тепловой энергии.// Научная сессия МИФИ-2002. Сб. научн. трудов. В 14 томах. Т. 11. М. МИФИ, 2002, с.62-64.
2. В.Ю. Великородный, В.Г. Гришин. Экспериментальное исследование работы вихревых нагревателей. // Холодная трансмутация ядер. Материалы 9-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс. Сочи. 30 сентября – 7 октября 2001 г. М. 2002, с. 99-102.
3. Ю.Н. Бажутов, В.Г. Гришин, В.Н. Носов. Электролиз с газовым разрядом на аноде. //Программа и тезисы 10-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс. Сочи. 29 сентября – 6 октября 2002 г. М. 2002, с. 27
4. В.Ю. Великодный, В.Г. Гришин. Экспериментальное исследование работы вихревых нагревателей с выносным контуром.// Программа и тезисы 10-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс. Сочи. 29 сентября – 6 октября 2002 г. М. 2002, с. 50
5. В.Г. Гришин, А.Д. Давыдов. Плазмодинамический реактор для нейтрализации протонов и дейтронов в природной воде.// Холодная трансмутация ядер. Материалы 9-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс. Сочи. 30 сентября – 7 октября 2001 г. М. 2002, с. 106-111.
6. В.Г. Гришин, И.Л. Клыков, С.В. Коперник, Н.В. Щаврук. Анодный электрический разряд в электролите.// Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научн. трудов. В 14 томах. Т. 4. М. МИФИ, 2003
По материалам сайта: http://www.rosteplo.ru