RU2780263C1

RU2780263C1 - Method for obtaining thermal and electrical energy, hydrogen and a device for its implementation

Info

Publication number: RU2780263C1
Application number: RU2021138466A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Иванович Климов; Сергей Егорович Алтунин; Олег Михайлович Кулаковский
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технический центр ПРОМЕТЕЙ"
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2022-09-21

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to electric power and hydrogen energy and can be used in sources of thermal and electrical energy and simultaneously to produce hydrogen. The method provides for setting the plasma reactor to the mode of abnormally high thermal energy release by monitoring the X-ray radiation measured near the cathode 7 and changing the parameters of the high-voltage pulse component: amplitude, frequency and duty cycle, so that the X-ray radiation is in the range from 1 to 10 keV, as well as reducing the supply of inert gas according to the results of X-ray radiation monitoring near the cathode 7 and the heat generated. In addition, a heterogeneous vortex flow of an inert gas is formed in combination with a reflected vortex flow, and water or an aqueous suspension of fine particles of a hydride-forming metal is introduced as a reagent. To do this, an X-ray detector 21 is installed in the plasma reactor on the outer shell of the pipe 1 closer to the cathode, and a generator of combined voltage 5a and 5b with continuous current and high-voltage pulse components has the ability to change the parameters of the high-voltage pulse component: amplitude, frequency and duty cycle. The outlet pipe 26 is mounted on the outer shell of the pipe between its outlet end and the anode 3, and the heat exchanger 8, designed to remove thermal energy, is placed on the outer shell of the pipe 1 between its inlet end and outlet pipe 26. The plasma reactor is equipped with a reagent preparation unit 11 connected to the reagent supply unit 12. Electricity is removed by installing MHD generator 20 at the output of ionized plasma from the electric discharge zone of the reactor.

EFFECT: expansion of the range of methods for obtaining thermal and electric energy.

11 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, водородной энергетике и может быть использовано в источниках тепловой энергии и попутно для извлечения водорода и электрической энергии. Для Российской Федерации с огромной территорией, суровым климатом и вечной мерзлотой обладание эффективным источником тепловой энергии может сыграть ключевую роль для опережающего развития, особенно северных регионов.The invention relates to the electric power industry, hydrogen energy and can be used in sources of thermal energy and incidentally for the extraction of hydrogen and electrical energy. For the Russian Federation with a vast territory, harsh climate and permafrost, the possession of an efficient source of thermal energy can play a key role for rapid development, especially in the northern regions.

Известны способ и устройство диссоциации воды и сопутствующего получения водорода и кислорода [RU 2436729, С2, С01B 13/02, C01B 3/02, C25B 1/02, 20.12.2011], заключающиеся в том, что водяной пар пропускают через плазменный генератор, где при температуре порядка 9000°С происходит его диссоциация на элементарный водород и кислород с поглощением тепловой энергии. Устройство состоит из одного катода и одного или более анодов высоковольтного источника питания. При пропускании между анодом и катодом электрического тока и подаче плазмообразующего газа образуется плазменный столб, в который подают водяной пар, молекулы воды диссоциируют под воздействием тепловой энергии плазмы. Авторы обнаружили значительное выделение тепловой энергии в плазмохимическом реакторе, превышающее расчетное при протекании обычных плазмохимических реакций. A known method and device for the dissociation of water and the concomitant production of hydrogen and oxygen [RU 2436729, C2, C01B 13/02, C01B 3/02, C25B 1/02, 20.12.2011], consisting in the fact that water vapor is passed through a plasma generator, where, at a temperature of about 9000°C, it dissociates into elemental hydrogen and oxygen with the absorption of thermal energy. The device consists of one cathode and one or more anodes of a high voltage power supply. When an electric current is passed between the anode and cathode and the plasma gas is supplied, a plasma column is formed, into which water vapor is supplied, water molecules dissociate under the influence of the thermal energy of the plasma. The authors found a significant release of thermal energy in the plasma-chemical reactor, which exceeds the calculated value in the course of conventional plasma-chemical reactions.

Недостатками способа являются относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии и невозможность одновременного извлечения электрической энергии.The disadvantages of this method are the relatively low efficiency of thermal energy generation and the impossibility of simultaneous extraction of electrical energy.

Известны способ и устройство для получения тепловой энергии [Карабут А.Б., Кучеров Я.Р., Савватимова И.Б. «Выход тепла и продуктов ядерных реакций из катода тлеющего разряда в дейтерии», с. 124-131. - Материалы конференции (Абрау-Дюрсо, Новороссийск, 28.09-02.10.1993). М.: МНТЦ ВЕНТ, 1994], основанные на формировании в среде водорода (дейтерия) высоковольтного электрического разряда между электродами, один из которых - катод - выполнен из гидридообразующего металла палладия при токе разряда от 5 до 25 мА, напряжении разряда 500-700 В и давлении газа 5 Торр. Генерация тепла здесь происходит в результате взаимодействия ионизированного водорода и эрозионных частиц (кластеров металлических наночастиц). Авторы также обнаружили значительное выделение тепловой энергии в плазмохимическом реакторе, превышающее расчетное. Known method and device for obtaining thermal energy [Karabut A.B., Kucherov Ya.R., Savvatimova I.B. “Exit of heat and products of nuclear reactions from the cathode of a glow discharge in deuterium”, p. 124-131. - Materials of the conference (Abrau-Dyurso, Novorossiysk, 28.09-02.10.1993). M.: ISTC VENT, 1994], based on the formation in a hydrogen (deuterium) medium of a high-voltage electric discharge between electrodes, one of which - the cathode - is made of hydride-forming palladium metal at a discharge current of 5 to 25 mA, a discharge voltage of 500-700 V and a gas pressure of 5 Torr. Heat is generated here as a result of the interaction of ionized hydrogen and erosive particles (clusters of metal nanoparticles). The authors also found a significant release of thermal energy in the plasma-chemical reactor, exceeding the calculated value.

Недостатками способа и устройства являются относительно низкая эффективность генерации тепловой энергии и относительно узкая область применения, что обусловлено невозможностью одновременного извлечения водорода и электрической энергии.The disadvantages of the method and device are the relatively low efficiency of thermal energy generation and a relatively narrow scope, due to the impossibility of simultaneous extraction of hydrogen and electrical energy.

Известны также очень сходные между собой способы и устройства для получения водорода, тепловой и электрической энергии [RU 2554512, С1, Н01J 45/00 27.06.2015] и [RU 2738744, С1, F24V 30/00, H02N 3/00, H05H 1/48, 16.12.2020], основанные на использовании плазмохимических реакций, протекающих в плазменном реакторе при взаимодействии протонов с эрозионными металлическими частицами, получаемых в результате ионизации пара воды и электрической эрозии катода при подаче высоковольтного импульсного напряжения. В этих реакциях выделяется значительная тепловая энергия, более чем на 2 порядка превышающая тепловую энергию при химических экзотермических реакциях [Y. Iwamura et al., “Anomalous Heat Effects Induced by Metal Nano-composites and Hydrogen Gas”, J. Condensed Matter Nucl. Sci. 29, 119-128, 2019]. В связи с этим это направление открывает новые перспективы для создания дешевых и безопасных источников энергии.There are also known very similar methods and devices for producing hydrogen, thermal and electrical energy [RU 2554512, C1, H01J 45/00 06/27/2015] and [RU 2738744, C1, F24V 30/00, H02N 3/00, H05H 1 /48, 16.12.2020], based on the use of plasma-chemical reactions occurring in a plasma reactor during the interaction of protons with erosive metal particles obtained as a result of water vapor ionization and cathode electrical erosion when a high-voltage pulsed voltage is applied. In these reactions, significant thermal energy is released, more than 2 orders of magnitude higher than the thermal energy in chemical exothermic reactions [Y. Iwamura et al., “Anomalous Heat Effects Induced by Metal Nano-composites and Hydrogen Gas”, J. Condensed Matter Nucl. sci. 29, 119-128, 2019]. In this regard, this direction opens up new prospects for the creation of cheap and safe energy sources.

На экспериментальном устройстве по патенту RU 2554512 достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре реактора 50 мм и длине 500 мм) 5,1 Вт/см³ и снималась электрическая энергия до 400 Вт с помощью зондов-электродов. А на устройстве по патенту RU2738744 была достигнута удельная тепловая мощность 10 Вт/см³ и одновременно нарабатывался водород до 0,1 Г/с. On the experimental device according to patent RU 2554512 achieved specific thermal power (with a reactor diameter of 50 mm and a length of 500 mm) 5.1 W/cm ³ and removed the electrical energy up to 400 W using probe electrodes. And on the device according to patent RU2738744, a specific thermal power of 10 W / cm ³ was achieved and hydrogen was simultaneously produced up to 0.1 G / s.

Последнее техническое решение является наиболее близким по технической сущности и получаемому результату и поэтому выбрано в качестве прототипа как для способа, так и для устройства.The last technical solution is the closest in technical essence and the result obtained, and therefore was chosen as a prototype for both the method and the device.

Способ получения тепловой и электрической энергии и водорода RU 2738744 включает формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отбор тепловой энергии через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода. RU 2738744 method for obtaining thermal and electrical energy and hydrogen includes the formation of a high-voltage electric discharge and the creation of a plasma flow by applying a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components between an anode electrode, sharpening electrodes and a cathode electrode made of hydride-forming metal installed in series on the same axis , supply of an inert gas and the formation of its vortex flow in the direction of the cathode, the introduction of a reagent in the form of an axial jet of water vapor into the volume of an axisymmetric plasma reactor in the associated direction, the extraction of thermal energy through a heat exchanger, the extraction of hydrogen from the products of a plasma-chemical reaction using a water seal, a gas separator and hydrogen storage.

Недостатками способа являются относительно низкая генерация тепловой энергии, недостаточный выход водорода, невозможность одновременного извлечения электроэнергии.The disadvantages of this method are the relatively low generation of thermal energy, insufficient output of hydrogen, the impossibility of simultaneous extraction of electricity.

Устройство для реализации этого способа RU 2738744 содержит теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом из гидридообразующего металла, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок, соединенный с водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода. The device for implementing this method RU 2738744 contains a heat exchanger, an electrical energy generator, configured to form a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components and connected to the anode and cathode, an axisymmetric plasma reactor, including a dielectric tube made of heat-resistant material with installed in series on one axis an electrode anode, sharpening electrodes and an electrode cathode made of a hydride-forming metal, installed at the inlet end of the pipe from the anode side, an inert gas supply unit and a shaper of its vortex flow towards the cathode, as well as a reagent supply unit in the form of an axial jet of water vapor into the pipe volume in in the same direction, an outlet pipe connected to a water seal, a gas separator and a hydrogen accumulator.

Недостатками устройства являются относительно низкая генерация тепловой энергии, недостаточный выход водорода, невозможность одновременного извлечения электроэнергии и повышенные габариты плазмохимического реактора.The disadvantages of the device are the relatively low generation of thermal energy, insufficient output of hydrogen, the impossibility of simultaneous extraction of electricity and the increased dimensions of the plasma-chemical reactor.

Технический результат предлагаемого способа состоит в расширении области применения, повышении эффективности генерации тепловой энергии и увеличении выхода водорода.The technical result of the proposed method is to expand the scope, increase the efficiency of thermal energy generation and increase the yield of hydrogen.

Технический результат достигается тем, что в способе, включающем формирование высоковольтного электрического разряда и создание плазменного потока путем подачи комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими между установленными последовательно на одной оси анодным электродом, электродами-обострителями и катодным электродом, выполненным из гидридообразующего металла, подачу инертного газа и образование его вихревого потока в направлении на катод, ввод реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем осесимметричного плазменного реактора в попутном направлении, отбор тепловой энергии через теплообменник, извлечение водорода из продуктов плазмохимической реакции с помощью водяного затвора, газового сепаратора и накопителя водорода, согласно изобретению, плазменный реактор настраивают на режим работы, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было в диапазоне от 1 до 10 кэВ. The technical result is achieved by the fact that in a method involving the formation of a high-voltage electric discharge and the creation of a plasma flow by applying a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components between the anode electrode, the sharpening electrodes and the cathode electrode made of hydride-forming metal, installed in series on the same axis, supply of an inert gas and formation of its vortex flow towards the cathode, introduction of a reagent in the form of an axial jet of water vapor into the volume of an axisymmetric plasma reactor in the associated direction, extraction of thermal energy through a heat exchanger, extraction of hydrogen from the products of a plasma-chemical reaction using a water seal, a gas separator and hydrogen storage device, according to the invention, the plasma reactor is tuned to the operating mode, accompanied by the release of soft X-ray radiation with an energy of up to 10 keV, by changing the parameters of the high-voltage pulse component The current value is amplitudes in the range from 1 to 10 kV, frequencies in the range from 1 to 100 kHz, and duty cycles in the range from 2 to 100, so that the X-ray emission measured near the cathode is in the range from 1 to 10 keV.

Кроме того, при установившемся режиме работы плазменного реактора после его настройки снижают подачу инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным. In addition, in the steady state operation of the plasma reactor after its adjustment, the supply of inert gas is reduced according to the results of X-ray control near the cathode, so that the X-ray emission remains unchanged.

Кроме того, формируют вихревой поток в комбинации с отраженным вихревым потоком. In addition, a vortex flow is formed in combination with a reflected vortex flow.

А также в плазменный реактор вводят в качестве реагента мелкие частицы воды. And also small particles of water are introduced into the plasma reactor as a reagent.

Кроме того, в плазменный реактор вводят в качестве реагента суспензию мелких частиц гидридообразующего металла, взвешенных в воде. In addition, a suspension of fine particles of a hydride-forming metal suspended in water is introduced into the plasma reactor as a reagent.

Кроме того, извлекают электроэнергию путем установки МГД-генератора на выходе ионизированной плазмы из зоны электрического разряда реактора. In addition, electricity is extracted by installing an MHD generator at the outlet of the ionized plasma from the electric discharge zone of the reactor.

Настройка плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций, сопровождающийся выходом мягкого рентгеновского излучения с энергией до 10 кэВ, путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей – амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100 позволяет перевести плазму в энергетическое состояние, которое характеризуется сильным энергетическим возбуждением атомов. При этом возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. При этом величина энергосодержания составляет 100 – 10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1 – 10 эВ/атом. Важную роль в генерации тепловой энергии играет ионизированный водород - протоны высоких энергий (более 100 эВ) и частицы гидридообразующего металла, появившиеся в плазме в результате электрической эрозии катода или при впрыскивании реагента. Под воздействием сильного, импульсного и неоднородного локального электрического поля между заряженными эрозионными частицами происходит глубинное проникновение протонов внутрь атомов частиц, их дальнейшая экранировка и транспортировка вплоть до ядер путем туннелирования через кулоновский барьер. При этом выделяется значительная тепловая энергия, на 2 порядка превышающая тепловую энергию при типичных химических реакциях. Кроме того, плазмохимические реакции сопровождаются мягким рентгеновским излучением от 1 до 10 кэВ [Климов А.И., Белов Н.К., Толкунов Б.Н. Измерение потоков нейтронов, мягкого рентгеновского излучения в гетерогенной нанокластерной плазме. М., ДеЛибри, 2020, сс. 29-36]. Авторы изобретения обнаружили, что величина этого излучения зависит как от материала частиц гидридообразующего металла, так и интенсивности плазмохимических реакций, причем чем интенсивнее идут эти реакции, тем выше рентгеновское излучение вблизи от катода. Это открыло возможность создания нового метода настройки реактора на режим путем изменения параметров импульсов по рентгеновскому излучению и позволило значительно повысить выделяемую тепловую энергию, а соответственно, и эффективность генерации тепловой энергии. Setting up the plasma reactor for the regime of intense plasma-chemical reactions, accompanied by the release of soft X-ray radiation with energies up to 10 keV, by changing the parameters of the high-voltage pulse component - amplitude in the range from 1 to 10 kV, frequency in the range from 1 to 100 kHz and duty cycle in the range from 2 to 100 allows you to transfer the plasma to an energy state, which is characterized by a strong energy excitation of atoms. In this case, not only the outer electron shells of atoms are excited, which is inherent in the usual state of plasma, but also the internal energy levels, as well as the nuclei of atoms. In this case, the energy content is 100 - 10000 eV/atom, and in ordinary plasma 1 - 10 eV/atom. An important role in the generation of thermal energy is played by ionized hydrogen - high-energy protons (more than 100 eV) and particles of a hydride-forming metal that appeared in the plasma as a result of electrical erosion of the cathode or injection of a reagent. Under the influence of a strong, impulsive, and inhomogeneous local electric field between charged erosive particles, protons penetrate deeply into the atoms of the particles, they are further screened, and transported up to the nuclei by tunneling through the Coulomb barrier. In this case, significant thermal energy is released, which is 2 orders of magnitude higher than the thermal energy in typical chemical reactions. In addition, plasma-chemical reactions are accompanied by soft X-ray radiation from 1 to 10 keV [Klimov A.I., Belov N.K., Tolkunov B.N. Measurement of fluxes of neutrons, soft X-rays in heterogeneous nanocluster plasma. M., DeLibri, 2020, ss. 29-36]. The inventors found that the magnitude of this radiation depends both on the material of the particles of the hydride-forming metal and the intensity of the plasma-chemical reactions, and the more intense these reactions are, the higher the x-ray radiation near the cathode. This opened up the possibility of creating a new method for tuning the reactor to a mode by changing the parameters of X-ray pulses and made it possible to significantly increase the released thermal energy, and, accordingly, the efficiency of thermal energy generation.

Уменьшение подачи инертного газа в установившемся режиме после настройки плазменного реактора по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным, позволяет убрать излишки инертного газа, а соответственно, уменьшить затраты на генерацию тепла, электроэнергии и водорода. Reducing the supply of inert gas in the steady state after adjusting the plasma reactor according to the results of X-ray control near the cathode, so that X-ray radiation remains unchanged, allows you to remove excess inert gas, and, accordingly, reduce the cost of generating heat, electricity and hydrogen.

Формирование вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком позволяет снизить осевую составляющую скорости в вихревом потоке и увеличить тангенциальную составляющую. И тем самым, благодаря эффекту Ранка-Хирша, усилить сепарацию газовых потоков и направить практически весь образовавшийся водород в зону плазмохимического взаимодействия с нанокластерными частицами гидридообразующего металла и, соответственно, увеличить выход тепловой энергии при прочих равных условиях. Кроме того, применение комбинации вихревого потока с отраженным позволяет увеличить время нахождения реагента в области плазменного потока вследствие снижения осевой составляющей потока, а соответственно, повысить генерируемую тепловую энергию, благодаря более полному использованию реагентов в процессе плазмохимических реакций, или уменьшить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора, примерно в 2 раза. The formation of a vortex flow in combination with a reflected vortex flow makes it possible to reduce the axial velocity component in the vortex flow and increase the tangential component. And thus, due to the Ranque-Hirsch effect, to enhance the separation of gas flows and direct almost all of the formed hydrogen into the zone of plasma-chemical interaction with nanocluster particles of the hydride-forming metal and, accordingly, increase the yield of thermal energy, all other things being equal. In addition, the use of a combination of a vortex flow with a reflected one makes it possible to increase the residence time of the reagent in the plasma flow region due to a decrease in the axial component of the flow, and, accordingly, to increase the generated thermal energy due to a more complete use of the reagents in the process of plasma-chemical reactions, or to reduce the length of the dielectric tube, which determines the overall dimensions. the dimensions of the reactor, about 2 times.

Использование в качестве реагента мелких частиц воды исключает затраты на приготовление пара, а соответственно, уменьшает затраты на генерацию тепла, электроэнергии и водорода. The use of small water particles as a reagent eliminates the cost of steam preparation, and, accordingly, reduces the cost of generating heat, electricity and hydrogen.

Применение в качестве реагента суспензии мелких частиц гидридообразующего металла в воде уменьшает эрозию катодного электрода и тем самым увеличивает непрерывную работу плазменного реактора и уменьшает его простои, связанные заменой катодного электрода. Это, в свою очередь, удешевляет обслуживание реактора и повышает эффективность его работы. The use of a suspension of small particles of a hydride-forming metal in water as a reagent reduces the erosion of the cathode electrode and thereby increases the continuous operation of the plasma reactor and reduces its downtime associated with the replacement of the cathode electrode. This, in turn, reduces the cost of reactor maintenance and increases the efficiency of its operation.

Извлекают электроэнергию с помощью МГД-генератора, поскольку его КПД почти вдвое превышает КПД теплового преобразования энергии в электрическую. Это объясняется тем, что в МГД-генераторе отсутствуют потери на трение, поскольку он не имеет подвижных узлов. МГД-генератор преобразует тепловую энергию движущейся ионизированной плазмы в электрическую. Поэтому его устанавливают на выходе плазмы из зоны электрического разряда плазменного реактора, где наблюдаются высокие температура и скорость потока заряженных частиц плазмы. При этом часть тепловой энергии, выделяемой в плазменном реакторе, преобразуется в электрическую энергию, что расширяет область применения технического решения. Electricity is extracted using an MHD generator, since its efficiency is almost twice the efficiency of thermal energy conversion into electrical energy. This is explained by the fact that there are no friction losses in the MHD generator, since it does not have moving parts. The MHD generator converts the thermal energy of the moving ionized plasma into electrical energy. Therefore, it is installed at the plasma outlet from the electric discharge zone of the plasma reactor, where high temperature and flow velocity of charged plasma particles are observed. In this case, part of the thermal energy released in the plasma reactor is converted into electrical energy, which expands the scope of the technical solution.

Устройство для реализации способа, содержащее теплообменник, генератор электрической энергии, выполненный с возможностью формирования комбинированного напряжения с непрерывной токовой и высоковольтной импульсной составляющими и подключенный к аноду и катоду, осесимметричный плазменный реактор, включающий диэлектрическую трубу из жаропрочного материала с установленными последовательно на одной оси электродным анодом, электродами-обострителями и электродным катодом из гидридообразующего металла, установленные на входном конце трубы со стороны анода узел подачи инертного газа и формирователь его вихревого потока в направлении на катод, а также узел подачи реагента в виде приосевой струи водяного пара в объем трубы в попутном направлении, выходной патрубок, соединенный с водяным затвором, газовым сепаратором и накопителем водорода, согласно изобретению, на внешней оболочке трубы ближе к катоду установлен детектор рентгеновского излучения, а генератор комбинированного напряжения с непрерывной токовой и импульсной составляющими имеет возможность изменения напряжения, частоты и скважности импульсов. A device for implementing the method, containing a heat exchanger, an electrical energy generator configured to generate a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components and connected to the anode and cathode, an axisymmetric plasma reactor, including a dielectric tube made of heat-resistant material with an electrode anode installed in series on one axis , sharpening electrodes and an electrode cathode made of a hydride-forming metal, installed at the inlet end of the pipe from the anode side, an inert gas supply unit and a shaper of its vortex flow in the direction to the cathode, as well as a reagent supply unit in the form of an axial jet of water vapor into the pipe volume in the associated direction , an outlet pipe connected to a water seal, a gas separator and a hydrogen accumulator, according to the invention, an X-ray detector is installed on the outer shell of the pipe closer to the cathode, and a combined voltage generator with no discontinuous current and pulse components has the ability to change the voltage, frequency and duty cycle of the pulses.

Кроме того, на выходном конце трубы установлена съемная герметичная крышка из диэлектрического жаропрочного материала, так что формирование вихревого потока производится в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки, при этом выходной патрубок установлен на внешней оболочке входного конца трубы, а теплообменник, предназначенный для съема тепловой энергии, размещен на внешней оболочке трубы между анодом и выходным патрубком. In addition, a removable sealed cover made of a dielectric heat-resistant material is installed at the outlet end of the pipe, so that the formation of a vortex flow is carried out in combination with the reflected vortex flow from the cover, while the outlet pipe is installed on the outer shell of the inlet end of the pipe, and a heat exchanger designed to remove heat energy, placed on the outer shell of the pipe between the anode and the outlet.

А также плазменный реактор снабжен узлом подготовки реагентов, соединенным с узлом подачи реагента. Also, the plasma reactor is equipped with a reagent preparation unit connected to the reagent supply unit.

Кроме того, плазменный реактор снабжен МГД-генератором для извлечения электроэнергии. In addition, the plasma reactor is equipped with an MHD generator to extract electricity.

А также МГД-генератор размещен между анодом и теплообменником. Also, the MHD generator is placed between the anode and the heat exchanger.

Установка на внешней оболочке трубы ближе к катоду детектора рентгеновского излучения и возможность изменять выходные параметры импульсного комбинированного напряжения – величину напряжения, частоту и скважность, позволяют настроить плазменный реактор на режим протекания плазмохимических реакций, соответствующий рентгеновскому излучению в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Причем при увеличении величины скважности импульсной составляющей уменьшается средняя электрическая мощность, затраченная на нагрев реагентов, что позволяет дополнительно повысить эффективность генерации тепловой энергии. Installing an X-ray detector on the outer shell of the pipe closer to the cathode of the X-ray detector and the ability to change the output parameters of the pulsed combined voltage - the voltage value, frequency and duty cycle, allow you to adjust the plasma reactor to the mode of plasma-chemical reactions that corresponds to X-ray radiation in the range from 1 to 10 keV. Moreover, with an increase in the duty cycle of the pulse component, the average electric power spent on heating the reagents decreases, which makes it possible to further increase the efficiency of thermal energy generation.

Установка крышки из диэлектрического жаропрочного материала на выходном конце трубы и выходного патрубка на внешней оболочке входного конца трубы создает условия для формирования вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки. А размещение теплообменника на внешней оболочке трубы между анодом и выходным патрубком обеспечивает съем тепловой энергии с наиболее нагретой части плазменного реактора. Installing a cover made of a dielectric heat-resistant material at the outlet end of the pipe and an outlet nozzle on the outer shell of the inlet end of the pipe creates conditions for the formation of a vortex flow in combination with a reflected vortex flow from the cover. And the placement of the heat exchanger on the outer shell of the pipe between the anode and the outlet pipe ensures the removal of thermal energy from the most heated part of the plasma reactor.

Узел подготовки реагентов, соединенный с узлом подачи реагента, позволяет приготовить реагент в виде водной суспензии мелких частиц гидридообразующего металла в воде для подачи в плазменный реактор. The reagent preparation unit, connected to the reagent supply unit, makes it possible to prepare the reagent in the form of an aqueous suspension of small particles of the hydride-forming metal in water for feeding into the plasma reactor.

Установка МГД-генератора позволяет извлекать электроэнергию с высоким КПД и расширяет область применения технического решения. The installation of an MHD generator makes it possible to extract electricity with a high efficiency and expands the scope of the technical solution.

Размещение МГД-генератора между анодом и теплообменником в области с наибольшими температурой, скоростью и ионизацией плазменного потока создает наилучшие условия для генерации электроэнергии. The location of the MHD generator between the anode and the heat exchanger in the region with the highest temperature, velocity, and ionization of the plasma flow creates the best conditions for generating electricity.

На Фиг. 1 представлена схема наиболее предпочтительного устройства для реализации предполагаемого способа получения тепловой и электрической энергии и дешевого водорода. On FIG. 1 shows a diagram of the most preferred device for implementing the proposed method for obtaining thermal and electrical energy and cheap hydrogen.

На схеме введены следующие обзначения:1 – диэлектрическая труба; 2 – формирователь вихревого потока; 3 – анодный электрод; 4 – задающий импульсный генератор высоковольтного поджига; 5а – высоковольтный источник постоянного тока; 5б – высоковольтный источник импульсного напряжения с регулированием напряжения, частоты и скважности; 6 – электроды-обострители; 7 – катодный электрод; 8 – теплообменник; 9 – водяной затвор; 10 – газовый сепаратор; 11 – узел подготовки реагентов; 12 – узел подачи реагентов; 13 – датчик расхода реагентов; 14 – датчик температуры реагентов на входе; 15 – датчик температуры теплоносителя на входе; 16 – датчик расхода теплоносителя; 17 – датчик температуры теплоносителя на выходе; 18 – датчик расхода инертного газа; 19 – датчик температуры инертного газа; 20 – МГД-генератор; 21 – детектор рентгеновского излучения; 22 – датчик температуры реагентов; 23 – герметичная крышка; 24 – бойлер; 25 – источник инертного газа; 26 – выходной патрубок; 27 – накопитель водорода; С₁, L₁– фильтр низких частот для защиты от высокочастотных импульсных помех; С₂, L₂– режекторный фильтр для блокирования высокочастотных помех; L₃ – катушка высоковольтного поджига; L₄ – возбуждающая катушка.The following designations are introduced on the diagram: 1 - dielectric pipe; 2 – vortex flow shaper; 3 – anode electrode; 4 - master pulse generator of high-voltage ignition; 5a - high-voltage direct current source; 5b - high-voltage source of pulsed voltage with voltage, frequency and duty cycle regulation; 6 - sharpening electrodes; 7 - cathode electrode; 8 - heat exchanger; 9 - water lock; 10 – gas separator; 11 – reagent preparation unit; 12 – reagent supply unit; 13 – reagent flow sensor; 14 – reagent temperature sensor at the inlet; 15 – coolant temperature sensor at the inlet; 16 – coolant flow sensor; 17 – coolant outlet temperature sensor; 18 – inert gas flow sensor; 19 – inert gas temperature sensor; 20 – MHD generator; 21 – X-ray detector; 22 – reagent temperature sensor; 23 - sealed cover; 24 - boiler; 25 – source of inert gas; 26 - outlet pipe; 27 – hydrogen accumulator; C ₁ , L ₁ - low-pass filter for protection against high-frequency impulse noise; C ₂ , L ₂ - notch filter for blocking high-frequency noise; L ₃ - high-voltage ignition coil; L ₄ - exciting coil.

В устройстве для получения тепловой и электрической энергии и водорода в диэлектрической трубе 1, выполненной из жаропрочного материала, например из кварца, керамики или композитных материалов, последовательно установлены на одной оси электродный анод 3, пассивные электроды-обострители 6, электродный катод 7, к которым подключен задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, высоковольтный источник постоянного тока 5а; высоковольтный источник импульсного напряжения 5б с регулированием напряжения, частоты и скважности. Электроды 3 и 6 выполнены из тугоплавкого электропроводного материала (никеля, титана, молибдена и др.), а электрод 7 – из гидридообразующего металла (алюминия, лития, стронция и др.). Задающий импульсный генератор высоковольтного поджига 4, предназначенный для запуска процесса образования плазмы, имеет возможность выдавать высоковольтные импульсы от 30 кВ до 60 кВ длительностью до 20 мкс с частотой от 20 кГц до 2500 кГц. Высоковольтный источник постоянного тока 5а на выходе имеет напряжение до 6 кВ и предназначен для поддержания рабочего напряжения и тока, необходимого для стабильного горения плазмы в реакторе. Высоковольтный источник импульсного напряжения 5б выдает высоковольтные импульсы до 10 кВ с регулированием амплитуды, частоты и скважности и предназначен для настройки плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций. Для осуществления контроля плазмохимических реакций на внешней оболочке трубы 1 ближе к катоду 7 установлен детектор рентгеновского излучения с диапазоном измеряемых величин от 1 до 10 кэВ. Инертный газ 25 (аргон, гелий, неон и др.) поступает в формирователь 2 вихревого потока, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами по направлению к катоду 7. Вихревой поток обжимает плазму и не дает ей контактировать со стенками трубы, помогает разделить тяжелые ионы и легкие электроны и водород, концентрируя последние вдоль оси вихря и обеспечивая оптимальный режим их взаимодействия с металлическими частицами реагента. Герметичная крышка 23 из диэлектрического жаропрочного материала (кварц, керамика, композитные материалы и др.) создает условия для формирования вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком от крышки. Для съема тепловой энергии установлен теплообменник 8 в зоне с наиболее нагретой части плазменного реактора на внешней оболочке трубы 1 между анодом 3 и выходным патрубком 26. Теплообменник 8 соединен с бойлером 24. На входе трубы плазменного реактора установлен узел подачи реагента 12, связанный трубопроводом с узлом подготовки реагентов 11, в котором с помощью ультразвукового диспергатора готовят водную суспензию мелкодисперсных частиц и подают по трубопроводу в узел подачи 12. Узел подачи реагента 12 выполнен в виде форсунки высокого давления, с помощью которой реагент впрыскивается в плазменный реактор. К выходному патрубку 26, соединенному отверстием с внутренним объемом плазменного реактора, подсоединен через трубопровод водяной затвор 9, в котором происходит разделение твердых и газообразных продуктов реакции. При этом твердые частицы оседают, а газообразные подаются в газовый сепаратор 10, где водород отделяется и поступает в накопитель 27, а остальной газ идет на очистку и выбрасывается в атмосферу. Датчики расхода и температуры 12 – 19 реагента, теплоносителя и инертного газа установлены в соответствующих местах. На внешней оболочке трубы 1 между анодом 3 и теплообменником 8 в области с наибольшими температурой, скоростью и ионизацией плазменного потока размещен МГД-генератор 20 для извлечения электроэнергии. In a device for generating thermal and electrical energy and hydrogen in a dielectric tube 1 made of a heat-resistant material, for example, quartz, ceramics or composite materials, an electrode anode 3, passive sharpening electrodes 6, and an electrode cathode 7 are installed in series on one axis, to which connected master pulse generator high-voltage ignition 4, high-voltage DC source 5a; high-voltage source of pulsed voltage 5b with voltage, frequency and duty cycle regulation. Electrodes 3 and 6 are made of a refractory electrically conductive material (nickel, titanium, molybdenum, etc.), and electrode 7 is made of a hydride-forming metal (aluminum, lithium, strontium, etc.). The high-voltage ignition master pulse generator 4, designed to start the plasma formation process, has the ability to produce high-voltage pulses from 30 kV to 60 kV with a duration of up to 20 μs with a frequency of 20 kHz to 2500 kHz. A high-voltage direct current source 5a at the output has a voltage of up to 6 kV and is designed to maintain the operating voltage and current necessary for stable plasma combustion in the reactor. The high-voltage pulsed voltage source 5b produces high-voltage pulses up to 10 kV with amplitude, frequency and duty cycle control and is designed to tune the plasma reactor to the mode of intensive plasma-chemical reactions. To control the plasma-chemical reactions on the outer shell of the pipe 1, closer to the cathode 7, an X-ray detector with a range of measured values from 1 to 10 keV is installed. Inert gas 25 (argon, helium, neon, etc.) enters the vortex flow shaper 2, which creates an inert gas vortex along the axis between the electrodes towards the cathode 7. The vortex flow compresses the plasma and prevents it from contacting the pipe walls, helps to separate heavy ions and light electrons and hydrogen, concentrating the latter along the axis of the vortex and providing an optimal mode of their interaction with the metal particles of the reagent. The hermetic cover 23 made of a dielectric heat-resistant material (quartz, ceramics, composite materials, etc.) creates conditions for the formation of a vortex flow in combination with a reflected vortex flow from the cover. To remove thermal energy, a heat exchanger 8 is installed in the zone from the most heated part of the plasma reactor on the outer shell of the pipe 1 between the anode 3 and the outlet pipe 26. The heat exchanger 8 is connected to the boiler 24. At the inlet of the plasma reactor pipe, a reagent supply unit 12 is installed, connected by a pipeline to the node preparation of reagents 11, in which an aqueous suspension of fine particles is prepared using an ultrasonic disperser and fed through a pipeline to the supply unit 12. The reagent supply unit 12 is made in the form of a high-pressure nozzle, through which the reagent is injected into the plasma reactor. To the outlet pipe 26, connected by a hole with the internal volume of the plasma reactor, a water seal 9 is connected through a pipeline, in which the solid and gaseous reaction products are separated. In this case, solid particles settle, and gaseous particles are fed into the gas separator 10, where hydrogen is separated and enters the accumulator 27, and the rest of the gas is cleaned and released into the atmosphere. Flow and temperature sensors 12 - 19 of the reagent, coolant and inert gas are installed in the appropriate places. On the outer shell of the pipe 1 between the anode 3 and the heat exchanger 8 in the region with the highest temperature, velocity and ionization of the plasma flow, an MHD generator 20 is placed to extract electricity.

Рассмотрим работу устройства на частном примере, где труба 1 выполнена из кварцевого стекла и имеет следующие размеры: длина 250 мм, внутренний диаметр 50 мм. Катод 7 выполнен из алюминия, расстояние между электродами 3 и 7 составляет около 50 мм. Из узла подготовки реагентов 11 подается реагент (например, вода) в узел подачи реагентов 12, где с помощью форсунки высокого давления впрыскивается в виде водяного тумана внутрь трубы 1 вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7. Одновременно подается инертный газ 25 в формирователь вихревого потока 2, который создает вихрь инертного газа вдоль оси между электродами 3 и 7 по направлению к катоду 7, увлекая и перемешивая реагент с инертным газом. Отражаясь от диэлектрической крышки 23, обратный вихревой поток инертного газа и частиц реагента накладывается на прямой поток и выходит через выходной патрубок 26. Consider the operation of the device on a particular example, where the pipe 1 is made of quartz glass and has the following dimensions: length 250 mm, inner diameter 50 mm. Cathode 7 is made of aluminum, the distance between electrodes 3 and 7 is about 50 mm. From the reagent preparation unit 11, a reagent (for example, water) is supplied to the reagent supply unit 12, where, using a high-pressure nozzle, it is injected in the form of a water mist inside the pipe 1 along the axis between the electrodes 3 and 7 towards the cathode 7. Simultaneously, an inert gas 25 is supplied into the vortex flow shaper 2, which creates an inert gas vortex along the axis between electrodes 3 and 7 towards the cathode 7, entraining and mixing the reagent with the inert gas. Reflected from the dielectric cover 23, the reverse vortex flow of inert gas and reagent particles is superimposed on the direct flow and exits through the outlet pipe 26.

Подается напряжение от высоковольтного источника постоянного тока 5а на электроды 3 и 7 и постепенно увеличивается до рабочего (1-2 кВ). При этом внутри диэлектрической трубы создаётся электрическое поле между анодным 3 и катодным 7 электродами. Включается высоковольтный источник импульсного напряжения 5б и доводятся параметры импульса до рабочих значений: амплитуда в диапазоне 1-10 кВ, частота в диапазоне 1-100 КГц, и скважность в диапазоне 2-100. Включается задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4, обеспечивая подачу поджигающего высоковольтного импульса 30-60 кВ через катушку L3 на анодный электрод 3. При этом внутри диэлектрической трубы 1 происходит электрический пробой между электродами 3 и 7, который стимулирует образование плазменного канала между указанными электродами. Установленные внутри диэлектрической трубы 1 электроды-обострители 6 облегчают процесс электрического пробоя. После образования плазменного потока задающий импульсный генератор катушки высоковольтного поджига 4 отключается и переходит в пассивный режим. The voltage is supplied from a high-voltage direct current source 5a to the electrodes 3 and 7 and gradually increases to the working one (1-2 kV). In this case, an electric field is created inside the dielectric tube between the anode 3 and cathode 7 electrodes. The high-voltage source of pulsed voltage 5b is turned on and the pulse parameters are brought to operating values: amplitude in the range of 1-10 kV, frequency in the range of 1-100 kHz, and duty cycle in the range of 2-100. The master pulse generator of the high-voltage ignition coil 4 is switched on, providing an ignition high-voltage pulse of 30-60 kV through the coil L3 to the anode electrode 3. At the same time, an electrical breakdown occurs between electrodes 3 and 7 inside the dielectric tube 1, which stimulates the formation of a plasma channel between these electrodes. The sharpening electrodes 6 installed inside the dielectric tube 1 facilitate the process of electrical breakdown. After the formation of the plasma flow, the master pulse generator of the high-voltage ignition coil 4 is turned off and goes into the passive mode.

После образования плазменного потока внутри трубы 1 система прогревается и выходит на режим устойчивой работы, который характеризуется стабильностью горения плазмы, стабильностью параметров тока между электродами 3 и 7 в диапазоне 1-5А и установившимися значениями температуры на выходном патрубке 26. After the formation of a plasma flow inside the pipe 1, the system warms up and enters the stable operation mode, which is characterized by the stability of plasma combustion, the stability of the current parameters between electrodes 3 and 7 in the range of 1-5A, and the steady temperature values at the outlet pipe 26.

Рассмотрим химические процессы, происходящие внутри плазменного потока при применении катода из алюминия и впрыскивании в качестве реагента мелкодисперсных капель воды. При высокой локальной температуре в плазменном канале 3000-4000°С и сильной ионизации под воздействием электрического поля нанокластерные частицы алюминия, образовавшиеся в результате эрозии катода, вступают в химическую реакцию с водой: Let us consider the chemical processes that occur inside the plasma flow when an aluminum cathode is used and finely dispersed water drops are injected as a reagent. At a high local temperature in the plasma channel of 3000-4000°C and strong ionization under the influence of an electric field, aluminum nanocluster particles formed as a result of cathode erosion enter into a chemical reaction with water:

2Al + 3H₂O = Al₂O₃ + 3H₂ + Q ,2Al + 3H ₂ O \u003d Al ₂ O ₃ + 3H ₂ + Q,

где Q = 15 Дж/мг - удельная теплота, выделившаяся в результате экзотермической реакции в расчете на 1 мг алюминия. Кроме того, в этих условиях происходит диссоциация воды:where Q \u003d 15 J / mg is the specific heat released as a result of the exothermic reaction per 1 mg of aluminum. In addition, under these conditions, water dissociation occurs:

2H₂O ↔ 2H₂ + O₂- Q,2H ₂ O ↔ 2H ₂ + O ₂ - Q,

где Q = 228,6 кДж/моль - удельная теплота, затраченная на эндотермическую реакцию в расчете на 1 моль.where Q \u003d 228.6 kJ / mol is the specific heat spent on the endothermic reaction per 1 mol.

Однако авторы при испытаниях экспериментального образца предлагаемого технического решения обнаружили режим более высокого выделения тепловой энергии, превышающей расчетное значение при протекании обычных плазмохимических реакций, приведенных выше. При этом этот режим сопровождался мягким рентгеновским излучением от 1 до 10 кэВ, причем чем выше выделение тепловой энергии, тем больше рентгеновское излучение. However, the authors, when testing an experimental sample of the proposed technical solution, found a mode of higher release of thermal energy in excess of the calculated value during the course of the usual plasma-chemical reactions given above. In this case, this regime was accompanied by soft X-ray radiation from 1 to 10 keV, and the higher the release of thermal energy, the greater the X-ray emission.

В этой связи было предложено ввести настройку на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций путем изменения параметров высоковольтной импульсной составляющей - амплитуды в диапазоне от 1 до 10 кВ, частоты в диапазоне от 1 до 100 кГц и скважности в диапазоне от 2 до 100, так чтобы рентгеновское излучение, измеряемое вблизи от катода, было максимальным в диапазоне от 1 до 10 кэВ. Настройка плазменного реактора на режим интенсивного протекания плазмохимических реакций позволяет перевести плазму в такое энергетическое состояние, которое характеризуется сильным энергетическим возбуждением атомов. Причем возбуждены не только внешние электронные оболочки атомов, что присуще обычному состоянию плазмы, но и внутренние энергетические уровни, а также ядра атомов. При этом величина энергосодержания составляет 100-10000 эВ/атом, а в обычной плазме 1-10 эВ/атом. При этом интенсифицируются плазмохимические реакции, сопровождающиеся высоким выделением тепловой энергии и приводящие к разогреву плазмы до температур 4000-5000°С. А повышение температуры в плазме, в свою очередь, увеличивает концентрацию протонов и эрозию частиц гидридообразующего металла из катода и, как следствие, тепловыделение. Никакие химические связи не могут быть устойчивыми и разрушаются до атомов под действием такого мощного потока энергии. Например, пары воды распадаются до атомов водорода и кислорода, а это приводит к увеличению выхода водорода. In this regard, it was proposed to introduce a setting for the regime of intensive plasma-chemical reactions by changing the parameters of the high-voltage pulse component - amplitude in the range from 1 to 10 kV, frequency in the range from 1 to 100 kHz and duty cycle in the range from 2 to 100, so that X-ray radiation , measured near the cathode, was maximum in the range from 1 to 10 keV. Setting the plasma reactor to the mode of intense plasma-chemical reactions allows the plasma to be transferred to such an energy state, which is characterized by strong energy excitation of atoms. Moreover, not only the outer electron shells of atoms are excited, which is inherent in the normal state of plasma, but also the internal energy levels, as well as the nuclei of atoms. In this case, the energy content is 100-10000 eV/atom, and in ordinary plasma 1-10 eV/atom. In this case, plasma-chemical reactions are intensified, accompanied by a high release of thermal energy and leading to heating of the plasma to temperatures of 4000-5000°C. And an increase in the temperature in the plasma, in turn, increases the concentration of protons and the erosion of particles of the hydride-forming metal from the cathode and, as a consequence, the heat release. No chemical bonds can be stable and are destroyed to atoms under the influence of such a powerful flow of energy. For example, water vapor decomposes into hydrogen and oxygen atoms, and this leads to an increase in the yield of hydrogen.

После настройки на установившийся режим возможно снизить подачу инертного газа по результатам контроля рентгеновского излучения вблизи от катода, так чтобы рентгеновское излучение оставалось неизменным в диапазоне от 1 до 10 кэВ. При испытаниях удалось снизить подачу инертного газа в 2,5 раза. After adjusting to steady state, it is possible to reduce the supply of inert gas according to the results of X-ray control near the cathode, so that the X-ray emission remains unchanged in the range from 1 to 10 keV. During the tests, it was possible to reduce the supply of inert gas by 2.5 times.

Часть тепловой энергии движущейся ионизированной плазмы преобразуется в электрическую в МГД-генераторе 20, другая часть снимается в теплообменнике 8, посредством теплоносителя и идет на нагревание бойлера 24, а оставшаяся часть является тепловыми потерями. Part of the thermal energy of the moving ionized plasma is converted into electrical energy in the MHD generator 20, the other part is removed in the heat exchanger 8 by means of a coolant and goes to heat the boiler 24, and the rest is heat losses.

Образовавшиеся продукты реакций захватываются вихревым потоком и выводятся под действием избыточного давления внутри диэлектрической трубы 1 через выходной патрубок 26 в водяной затвор 9, где твердые продукты оседают на дно, а газовые – подаются на газовый сепаратор 10 для отделения водорода и подачи его в накопитель 27. The resulting reaction products are captured by the vortex flow and discharged under the action of excess pressure inside the dielectric pipe 1 through the outlet pipe 26 to the water lock 9, where the solid products settle to the bottom, and the gas products are fed to the gas separator 10 to separate hydrogen and supply it to the accumulator 27.

Формирование вихревого потока в комбинации с отраженным вихревым потоком позволяет снизить осевую составляющую скорости в вихревом потоке и увеличить тангенциальную составляющую, и тем самым, благодаря эффекту Ранка-Хирша, усилить сепарацию газовых потоков и направить практически весь образовавшийся водород в зону плазмохимического взаимодействия с нанокластерными частицами гидридообразующего металла и, соответственно, увеличить выход тепловой энергии при прочих равных условиях. Кроме того, применение комбинации вихревого потока с отраженным позволяет увеличить время нахождения реагента в области плазменного потока вследствие снижения осевой составляющей потока, а соответственно, повысить генерируемую тепловую энергию, благодаря более полному использованию реагентов в процессе плазмохимических реакций, или уменьшить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора, примерно в 2 раза. The formation of a vortex flow in combination with a reflected vortex flow makes it possible to reduce the axial velocity component in the vortex flow and increase the tangential component, and thereby, due to the Ranck-Hirsch effect, enhance the separation of gas flows and direct almost all of the formed hydrogen into the zone of plasma-chemical interaction with nanocluster particles of the hydride-forming metal and, accordingly, increase the output of thermal energy, all other things being equal. In addition, the use of a combination of a vortex flow with a reflected one makes it possible to increase the residence time of the reagent in the plasma flow region due to a decrease in the axial component of the flow, and, accordingly, to increase the generated thermal energy due to a more complete use of the reagents in the process of plasma-chemical reactions, or to reduce the length of the dielectric tube, which determines the overall dimensions. the dimensions of the reactor, about 2 times.

При работе устройства происходит изнашивание катода вследствие электрической эрозии, поэтому для его снижения предложено использовать добавление в воду мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла. При этом в узле подготовки реагентов 11 готовят суспензию мелкодисперсных частиц гидридообразующего металла на водной основе методом ультразвукового диспергирования, а затем реагент подают в узел подачи 12. During operation of the device, the cathode wears out due to electrical erosion; therefore, to reduce it, it is proposed to use the addition of fine particles of a hydride-forming metal to water. At the same time, a suspension of fine particles of a water-based hydride-forming metal is prepared in the reagent preparation unit 11 by ultrasonic dispersion, and then the reagent is fed into the supply unit 12.

Проведенные исследования на экспериментальной установке позволили произвести сопоставление результатов применения известного способа и соответствующего ему устройства и предложенного способа и устройства. The conducted studies on the experimental setup made it possible to compare the results of applying the known method and the device corresponding to it and the proposed method and device.

Как указано выше, в известном устройстве, реализующем известный способ, достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 500 мм) 10 Вт/см³ и одновременно нарабатывался водород до 0,1 Г/с. As indicated above, in a known device that implements a known method, a specific thermal power was achieved (with a reactor tube diameter of 50 mm and a length of 500 mm) of 10 W/cm ³ and hydrogen was simultaneously produced up to 0.1 G/s.

На предложенной авторами экспериментальной установке достигнута удельная тепловая мощность (при диаметре трубы реактора 50 мм и длине 250 мм) 20 Вт/см³, что в 2 раза выше, чем в прототипе, и нарабатывался водород до 0,2 Г/с, что также в 2 раза выше. Одновременно снималась электроэнергия до 1500 Вт. ^On the experimental setup proposed by the authors, the specific thermal power (with a reactor tube diameter of 50 mm and a length of 250 mm) of 20 W/cm 2 times higher. At the same time, electricity up to 1500 watts was removed.

Кроме того, удалось снизить длину диэлектрической трубы, определяющей габаритные размеры реактора примерно в 2 раза, уменьшить расход инертного газа в 2,5 раза. In addition, it was possible to reduce the length of the dielectric tube, which determines the overall dimensions of the reactor, by about 2 times, and reduce the consumption of inert gas by 2.5 times.

Таким образом, предложенный способ и устройство получения тепловой и электрической энергии и водорода более эффективны по сравнению с прототипом.Thus, the proposed method and device for generating thermal and electrical energy and hydrogen are more efficient than the prototype.

Claims

1. A method for generating thermal energy, extracting hydrogen and electrical energy, including the formation of a high-voltage electric discharge and the creation of a plasma flow by applying a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components between the anode electrode, the sharpening electrodes, and the cathode electrode made in series on the same axis. from a hydride-forming metal, the supply of an inert gas and the formation of its vortex flow towards the cathode, the introduction of a reagent in the form of an axial jet of water vapor into the volume of an axisymmetric plasma reactor in the associated direction, the extraction of thermal energy through a heat exchanger, the extraction of hydrogen from the products of a plasma-chemical reaction using a water lock , gas separator and hydrogen storage, characterized in that the plasma reactor is tuned to the operating mode, accompanied by the release of soft X-rays with energies up to 10 keV, by changing the parameters of high volt pulse component - amplitudes in the range from 1 to 10 kV, frequencies in the range from 1 to 100 kHz and duty cycle in the range from 2 to 100, so that the x-ray emission measured near the cathode is in the range from 1 to 10 keV.

2. The method according to claim 1, characterized in that, in the steady state operation of the plasma reactor, after its adjustment, the supply of inert gas is reduced according to the results of monitoring x-rays near the cathode, so that x-rays remain unchanged.

3. The method according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that they form a vortex flow in combination with a reflected vortex flow.

4. The method according to paragraphs. 1-3, characterized in that fine particles of water are introduced into the plasma reactor as a reagent.

5. The method according to paragraphs. 1-3, characterized in that a suspension of fine particles of a hydride-forming metal in water is introduced into the plasma reactor as a reagent.

6. The method according to paragraphs. 1-6, characterized in that electricity is extracted by installing an MHD generator at the plasma outlet from the electric discharge zone of the reactor.

7. A device for implementing the method, containing a heat exchanger, an electrical energy generator configured to generate a combined voltage with continuous current and high-voltage pulse components and connected to the anode and cathode, an axisymmetric plasma reactor, including a dielectric tube made of heat-resistant material with installed in series on the same axis an electrode anode, sharpening electrodes and an electrode cathode made of a hydride-forming metal, installed at the inlet end of the pipe from the anode side, an inert gas supply unit and a shaper of its vortex flow towards the cathode, as well as a reagent supply unit in the form of an axial jet of water vapor into the pipe volume in in the same direction, an outlet pipe connected to a water seal, a gas separator and a hydrogen accumulator, characterized in that an X-ray detector is installed on the outer shell of the pipe closer to the cathode, and a combined voltage generator with continuous current and high-voltage pulse components has the ability to change the parameters of the high-voltage pulse component - amplitude, frequency and duty cycle.

8. The device according to claim 7, characterized in that a removable sealed cover made of a dielectric heat-resistant material is installed at the outlet end of the pipe, so that the formation of a vortex flow is carried out in combination with the reflected vortex flow from the cover, while the outlet pipe is installed on the outer shell of the inlet end pipes, and a heat exchanger designed to extract thermal energy is placed on the outer shell of the pipe between the anode and the outlet pipe.

9. The device according to paragraphs. 7 and 8, characterized in that the plasma reactor is equipped with a reagent preparation unit connected to the reagent supply unit.

10. The device according to paragraphs. 7-9, characterized in that the plasma reactor is equipped with an MHD generator to extract electricity.

11. The device according to claim 10, characterized in that the MHD generator is installed between the anode and the heat exchanger.