Комаров С. Г., независимый исследователь, электромеханик
Представлен анализ конструкции и работы паро-водородно-кислородного генератора, создающего из воды в требуемом количестве на текущий момент времени паро-водородно-кислородное топливо, работающего в совокупности с поршневым двигателем, который, в свою очередь, преобразует реакцию между водородом и кислородом в присутствии водяного пара в пределе мягкой взрываемости в быстрый подъём температуры, с расширением после взрыва (сгорания топлива) перегретого пара в рабочей камере цилиндра двигателя, обеспечивающего возвратно-поступательное движение поршня и механическую работу вращающегося коленчатого вала.
На рисунке представлена упрощённая блок-схема паро-водородно-кислородного генератора с поршневым двигателем.
Паро-водородно-кислородный генератор состоит из первичного образователя пара в составе ёмкости ПОП под воду В и пар П, соединённой токоизолирующими трубопроводами ИТ через управляемые вентили В2 и В3 с электропроводным трубчатым индуктором ТИ (соленоидом), который запитывается током повышенной частоты (порядка 10 кгц и более) от специального управляемого генератора Г, работающего от аккумуляторной батареи; вертикального перегревателя пара ВПП, нагревателя (догревателя) первичного пара НП, отделителя гремучего газа ОГГ от пара и смесителя гремучего газа с паром СМ.
В камере вертикального перегревателя пара ВПП наиболее эффективно применим индукционный электронагреватель (трубчатый индуктор ТИ), действующий путём возбуждения тока в платинированных по поверхности железных стержнях (с температурой плавления 1565 градусов Цельсия), помещённых в изолирующую специальную керамику (типа карборунда, с температурой плавления 2700 градусов) с отверстиями, как для размещения в них железных стержней, так и для прохождения и перегрева пара до температуры в пределе 1100 – 1450 градусов, и размещения в них мелкораздробленного палладия, насыщенного в промышленных условиях водородом (температура плавления платины 1769 градусов, палладия 1552 градуса).
Трубчатый индуктор ТИ (из металла) исходно заполнен водой из ёмкости ПОП первичного образователя пара через изолирующие трубопроводы ИТ и дистанционно управляемые вентили В2, В3. Одна часть ёмкости ПОП первичного образователя пара заполнена водой В, а другая её часть – образуемым первичным паром П.
Выход вертикального перегревателя пара ВПП образует трубчатый змеевик З в ёмкости нагревателя (догревателя) пара НП, в свою очередь соединённой входом через вентиль В4 с выходом ёмкости ПОП первичного образователя пара, а выходом – с входом вертикального перегревателя пара ВПП.
Выход змеевика З соединён через высокое колено (на рисунке не показано) с входом отделителя гремучего газа ОГГ от пара (чтобы вода отделителя гремучего газа ОГГ не попадала в змеевик З). В ёмкость отделителя гремучего газа ОГГ от пара через вентиль В1 принудительно подаётся вода в режиме периодической подпитки и обновления (обратная связь не показана). Образующийся в ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара гремучий газ поступает через первую форсунку в смеситель СМ, в который через вторую форсунку поступает через вентиль В5 также пар с выхода ёмкости ПОП первичного образователя пара. Выход смесителя СМ гремучего газа с паром соединён через предохранительный клапан ПК с вводом подачи горючей смеси в поршневой двигатель ПД.
Ёмкость ПОП первичного образователя пара в части заполнения водой соединена с плунжерной подачей ПП воды через свой клапан для обеспечения постоянного уровня воды в ёмкости ПОП.
Ёмкости отделителя гремучего газа ОГГ от пара и ПОП первичного образователя пара снабжены датчиками контроля должного в них количества воды, которые соединены с входами специализированного микропроцессора, обеспечивающего по заданной программе подпитку этих ёмкостей водой через управляемый вентиль В1 и клапан плунжерной подачи воды ПП. Теплоизоляция паро-водородно-кислородного генератора на рисунке не показана.
Работает паро-водородно-кислородный генератор следующим образом.
По правилу сообщающихся сосудов вода из ёмкости ПОП поступает в трубчатый индуктор ТИ. Включается генератор Г, который трубчатым индуктором ТИ превращает воду в пар, поступающий в паровую часть ёмкости ПОП первичного образователя пара, обеспечивая необходимое давление пара. Под давлением пар далее поступает через вентиль В4 в ёмкость догревателя пара НП и через вентиль В5 во вторую форсунку смесителя СМ. С ёмкости догревателя пара НП пар поступает на ввод вертикального перегревателя пара ВПП до температуры порядка 1100 – 1450 градусов Цельсия. Перегретый пар в вертикальном перегревателе пара ВПП с продуктами диссоциации пара поступает в змеевик З, обеспечивающий с одной стороны подогрев первичного пара в ёмкости НП, а с другой стороны охлаждение пара вертикального перегревателя пара ВПП до температуры ниже 1000 градусов Цельсия, при которой прекращается образование продуктов диссоциации пара. Далее пар с продуктами диссоциации проходит в ёмкость с водой отделителя гремучего газа ОГГ от пара, а отделённый гремучий газ поступает в первую форсунку смесителя См гремучего газа с первичным паром, поступающим во вторую форсунку смесителя СМ.
Стартёром раскручивается коленчатый вал поршневого двигателя ПД. При этом поршневой двигатель ПД работает как поршневой насос (без подачи напряжения зажигания), чем самым обеспечивается удаление из паро-водородно-кислородного генератора и поршневого двигателя ПД атмосферного воздуха. После чего в двигатель ПД начинает поступать от смесителя СМ через предохранительный клапан ПК паро-водородно-кислородное топливо и подаётся напряжение зажигания от высоковольтного импульсного генератора.
Основной частью двигателя ПД является один или несколько цилиндров, внутри которых производится сжигание паро-водородно-кислородного топлива – горючей смеси. Поскольку поджигание такой горючей смеси в цилиндре двигателя с применением обычно используемой свечи зажигания неэффективно (из-за присутствия пара), то каждый из цилиндров должен быть выполнен из специальной керамики, обладающей большой химической стойкостью, прочностью, износостойкостью, тугоплавкостью и отсутствием электропроводности.
Внутри цилиндра может передвигаться поршень, представляющий собой полый стальной (а лучше титановый), с одной стороны закрытый (днищем поршня) цилиндр, опоясанный пружинящими кольцами. Поршень в конечном счёте кинематически связан с коленчатым валом. Электропроводное днище поршня представляет собой как бы первую обкладку электрического конденсатора (пока цилиндр не заполнен горючей смесью).
Головка (верхняя часть) цилиндра, в котором помещается поршень, сообщается с двумя каналами, закрытыми клапанами. Через первый канал – впускной – подаётся горючая смесь. Через второй – выпускной выбрасываются продукты сгорания (водяной пар) в рабочем режиме двигателя.
Клапаны первого и второго каналов открываются при помощи кулачков, установленных на кулачковом валу распределительного устройства, кинематически связанного с коленчатым валом.
Головка цилиндра в пространстве над поршнем снабжена электропроводной пластиной, образующей вторую обкладку электрического конденсатора.
Обкладки электрического конденсатора образуют приспособление для зажигания горючей смеси посредством высокотемпературных ионно-электронных струй, образуемых между обкладками конденсатора установленным на машине высоковольтным импульсным генератором, выполненным, например, с применением высокочастотного резонансного трансформатора с относительно небольшой потребляемой мощностью от аккумуляторной батареи.
По управлению этот импульсный генератор связан с положением поршня в верхней мёртвой точке и до некоторого другого его положения в цилиндре двигателя, и должен быть отключенным в начальный период запуска двигателя – пока двигатель работает как поршневой насос (до вытеснения воздуха и пара из системы и замены их горючей смесью).
Платина и палладий – высокоэффективные катализаторы, они замечательны своей способностью поглощать огромное количество водорода (платина до 100, а палладий до 900 объёмов на один объём металла). Этот поглощённый водород приближен к атомарному водороду и поэтому очень активен. Платина и палладий способны не только хранить водород в адсорбированном состоянии, но и многократно ускорять при заданной температуре более 1000 градусов процесс диссоциации водяного пара на водород и кислород при правильно подобранных исходных объёмах этих металлов.
Весовой состав воды: 11,11 % водорода и 88,89 % кислорода. Отсюда простейшая формула воды Н2 0.
Молекулы воды имеют большую устойчивость по отношению к нагреванию. Однако при температурах выше тысячи градусов Цельсия водяной пар начинает заметно диссоциировать (разлагаться) на водород и кислород:
2Н2
0 = 2Н2 + 02 – 136,8 ккал.
Этот процесс проходит с поглощением тепла. Повышение температуры сдвигает равновесие вправо, т. е. к большему образованию двух объёмов водорода и одного объёма кислорода.
При поджигании смеси двух объёмов водорода и одного объёма кислорода соединение газов происходит практически мгновенно во всей массе смеси и сопровождается сильным взрывом. Поэтому такая смесь называется гремучим газом. Чтобы вызвать взрыв смеси, нужно нагреть её хотя бы в одном месте до 700 градусов.
Продуктом горения водорода является вода:
2Н2 + 02 = 2Н2
0 + 136,8 ккал.
Таким образом, от двух граммолекул водорода (4 г) и одной граммолекулы кислорода (32 г) возникает 136,8 ккал тепловой энергии. Для образования 4 г водорода и 32 г кислорода требуется 36 г воды.
Теплота сгорания 1 г водорода составит:
136800 / 4 = 34200 (кал / г) = 14,32 · 10 7 дж / кг.
Для сравнения: теплота сгорания 1 г бензина равна 11000 кал или 4,6 · 10 7 дж / кг. Поэтому удельная теплота сгорания водорода больше удельной теплоты сгорания бензина в
34200 / 11000 = 3,1 (раза).
Полезно также отметить, какой объём гремучего газа максимально может образоваться из 36 г воды. Поскольку граммолекула (моль) любого газа (при нормальных условиях) занимает объём 22,4 л, то две граммолекулы водорода и одна граммолекула кислорода занимают объём
3 · 22,4 = 67,2 (л).
Гремучий газ – это газовая смесь, содержащая по объёму 66,7 % водорода и 33,3 % кислорода.
Поскольку гремучий газ имеет очень высокую жёсткость сгорания, а на его образование без учёта тепловых потерь требуется затратить столько же тепловой энергии, сколько её получается при жёстком сгорании (взрыве), то в чистом виде гремучий газ не может быть использован в качестве топлива для поршневых двигателей и, в том числе, по соображениям безопасности.
Но если гремучий газ оказывается разбавленным водяным паром в пределах взрываемости, то тем самым обеспечивается более мягкое сгорание такой смеси, например, с теплотворностью 8000 – 11000 кал/г (вместо 34200 кал/г у водорода) и с теоретической температурой сгорания 1000 – 1200 градусов (вместо 2045 градусов у водорода), а также снижаются затраты тепловой энергии на образование взрывной смеси с ограниченным количеством гремучего газа на каждый момент времени.
Используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, возможно получать даже при температуре 2000 градусов степень диссоциации (число продиссоциировавших молекул пара) только 1,8 % (от общего числа молекул пара, участвующих в химическом равновесии), причём за довольно длительное время, и уже при охлаждении водяного пара и продуктов диссоциации вне сферы взаимодействия даже немногим ниже 1000 градусов равновесие практически полностью сдвигается в сторону образования водяного пара, а не образования смеси водорода, кислорода и пара.
Таким образом, как вывод, используя только термический метод разложения водяного пара на водород и кислород, реакция обратима, и с повышением температуры равновесие с поглощением тепла сдвигается вправо с образованием большей концентрации гремучего газа, а концентрация пара уменьшается. Но если при этом постепенно увеличивать (поддерживать) концентрацию водяного пара, то равновесие всё время смещается в сторону реакции, понижающей концентрацию пара и увеличивающей количество гремучего газа.
Введение платинового и палладие-водородного катализаторов в равновесную систему не изменяет состояния равновесия, т. к. катализаторы в одинаковой степени ускоряют и прямую, и обратную реакцию. Но применение катализаторов даёт возможность значительно ускорить наступление равновесия, т. е. в более короткий и необходимый в практическом отношении срок получить необходимое количество гремучего газа. Рассчётно реакция диссоциации водяного пара протекает с достаточной скоростью только при температурах не ниже 1300 градусов и в присутствии достаточных объёмов катализаторов.
Если при помощи пластинчатого конденсатора в цилиндре двигателя на пар с продуктами диссоциации произвести наложение слабоэнергетического высокочастотного поля высокого напряжения, создаваемого импульсным генератором, то в определённом пределе температур возможно приостановить смещение химической реакции в сторону образования водяного пара и ещё успеть произвести взрыв смеси продуктов диссоциации и водяного пара.
Характерная особенность обратимых реакций заключается в том, что они не доходят до конца, если продукты реакции не удалять из сферы взаимодействия. При неизменных условиях химическое равновесие может сохраняться как угодно долго. Но если образующиеся от суммы воздействующих факторов продукты реакции через трубопровод удалять из сферы взаимодействия (в вертикальном перегревателе пара ВПП), быстро охлаждать, пропуская их через змеевик З в нагревателе (догревателе) первичного пара НП и водяной отделитель гремучего газа ОГГ от пара, то отделённый водой от пара гремучий газ будет иметь температуру несколько больше 100 градусов Цельсия и его возможно смешивать с первичным паром той же температуры в смесителе СМ. При этом молекулы водорода, кислорода и водяного пара оказываются свободными. При температурах порядка до 200 градусов скорость реакции крайне мала.
В одном из примеров рассчётно объёмная концентрация гремучего газа 11,5 % и водяного пара 88,5 % с температурой до 200 градусов Цельсия соответствует рабочей смеси, образованной бензином и атмосферным воздухом (на один и тот же расходуемый объём в секунду рабочей смеси, хотя и для разного рода двигателей).
Работа двигателя (что возможно было бы показать на примере одноцилиндрового двигателя) состоит из следующих тактов: первый такт – всасывание. Открывается впускной клапан и поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр рабочую смесь с выхода камеры смесеобразования (смесителя СМ). При этом из-за создаваемого разрежения рабочая смесь дополнительно охлаждается. Молекулы пара, водорода и кислорода оказываются перемешанными и свободными.
Второй такт – сжатие. Впускной клапан закрывается и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. Смесь при сжимании нагревается до температуры несколько меньшей 700 градусов (что задаётся степенью и скоростью сжатия смеси). Для того, чтобы температура в цилиндре двигателя не поднималась до 700 градусов, он охлаждается, например, водой из системы охлаждения.
.
Третий такт – сгорание. Когда поршень достигает верхнего положения, на обкладки конденсатора в надпоршневом пространстве накладывается высокое высокочастотное напряжение от импульсного генератора, действующее определённый промежуток времени (пока поршень не займёт новое определённое положение), отчего из-за прохождения высокотемпературных ионно-электронных струй между обкладками конденсатора температура сразу в некоторых местах рабочей смеси возрастает до её поджигания. В результате мягкого сгорания смеси температура в цилиндре двигателя повышается до 1000-1200 градусов.
После сгорания смеси возникает дополнительно образуемый перегретый пар. Сила давления пара толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу и этим производится полезная работа, часть которой может быть израсходована на получение электрической энергии, подзаряжающей аккумуляторные батареи машины. Производя работу и расширяясь, пар охлаждается до температуры порядка 150 градусов, давление в цилиндре падает.
Четвёртый такт – выпуск пара. Открывается выпускной клапан и отработавший пар выбрасывается в атмосферу.
Регулирование скорости вращения коленчатого вала двигателя производится изменением соотношения концентраций водорода, кислорода и водяного пара в рабочей смеси, регулированием производительности паро-водородно-кислородного генератора. Нижний и верхний пределы взрываемости обозначенной смеси водорода и кислорода с водяным паром (в объёмных %) ограничивают довольно широкий диапазон.
Достоинства двигателя: экологическая безопасность – нет выхлопных газов, загрязняющих атмосферу, мягкое сгорание рабочей смеси (без детонации), широкий диапазон возможной мощности, малое потребление воды.
Недостатки двигателя: сложность конструкции паро-водородно-кислородного генератора – повышенная его габаритность, относительно низкий коэффициент полезного действия без применения экономически выгодных генераторов электрической энергии, и тихоходность двигателя, высокая стоимость установки в своей совокупности – с генератором и поршневым двигателем, в том числе, вызванная необходимостью применения в паро-водородно-кислородном генераторе дорогостоящих катализаторов.
В качестве конкретного примера возьмём 4-х цилиндровый двигатель и определим, какая будет (должна быть) мощность двигателя и производительность паро-водородно-кислородного генератора, если среднее давление в цилиндрах двигателя, например, 5 кг / см2, ход поршня 30 см (0,3 м) и площадь поршня 120 см 2. При этом двигатель должен совершать
300 об / мин = 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду.
Рабочий объём каждого цилиндра: V = 30 · 120 = 3600 (см 3) = 3,6 л (литра). Полезную работу совершает один из цилиндров двигателя.
Итак, 5 об / с = 10 рабочих ходов поршня в секунду. Потребность рабочей смеси:
3,6 · 10 = 36 (л / с). Определим работу А, совершаемую двигателем, и его мощность Р.
Работа А = 10 раб. ходов поршня в сек. · 5 кг/см 2 · 120 см 2 · 0,3 м = 1800 кгм / с · 9,8 = 17640 (вт/с). Мощность Р = 17640/735 = 24 (л.с.).
Если бы двигатель был бензиновым (калорийность бензина 11000 ккал/кг = 11000 кал/г, а 1 ккал тепловой энергии соответствует 427 кгм), то расход бензина составил бы:
1800 кгм/с / 427 кгм = 4,21546 ккал/с = 4215,46 кал/с. 4215,46 / 11000 = 0,383 (г/с).
Так как калорийность водорода 34200 кал/г, то потребность водорода, используемого вместо бензина, уменьшится в 34200 / 11000 = 3,1 раза и составит: 0,383 / 3,1 = 0,1235 г/ с водорода – 2,075 л/с гремучего газа.
Производительность паро-водородно-кислородного генератора по выработке паро-водородно-кислородного топлива (горючей смеси) составит: 2,075 л/с гремучего газа и 33,92 л/с (36 – 2,075 = 33,92 (л/с ) водяного пара. Т. е. 5,76 % гремучего газа и 94,24 % водяного пара (в данном случае это нижний предел взрываемости горючей смеси).
Учитывая, что из 36 г воды может образоваться 67,2 л гремучего газа, а пар занимает в 1600 раз больший объём, чем вода, то на образование 2,075 л/с гремучего газа при мощности двигателя 24 л.с. требуется 1,11 г/с (или иначе – 1,78 л/с) водяного пара.
Поскольку известно, что при перегреве пара от 1000 до 2000 градусов число продиссоциировавших молекул пара возрастает от 0 до 1,8 % на одно равновесное состояние в химической реакции диссоциации, то при температуре 1350 градусов на одно равновесное состояние реакции приходится 0,63 % продиссоциировавших молекул пара. Поэтому необходимо: 100 / 0,63 = 159 установлений равновесных состояний в секунду. Что достижимо при равномерном и в достаточном количестве поступлении пара на ввод паро-водородно-кислородного генератора и выбором необходимой площади контактных поверхностей дорогих платинового и палладиевого катализаторов.
Для разбавления гремучего газа в пределах взрываемости в камере смешивания СМ может быть применён вместо пара и атмосферный воздух. При этом требования к конструкции поршневого двигателя снижаются. Это уже может быть обычно применяемый поршневой двигатель.
Необходимость соблюдения закона сохранения энергии указывает на то, что коэффициент полезного действия парогазового генератора с поршневым двигателем возможно увеличить за счёт применения экономически выгодных топливных элементов, обеспечивающих электропитание вертикального перегревателя пара ВПП. Но для этого будет необходимо, кроме того, дополнительное разделение гремучего газа на водород и кислород, или дополнительное применение высокотемпературного (порядка 600 – 900 градусов Цельсия) ядерного мини-реактора.
И, как вывод: паро-водородно-кислородные генерататоры, а также воздушно-водородно-кислородные генераторы с поршневыми двигателями вряд ли найдут широкое практическое применение, поскольку целесообразнее практическая реализация экономичных установок для производства водородно-кислородного топлива термическим методом в условиях гидроэлектростанций малой и большой мощности, которое наиболее эффективно можно использовать в двигателях транспортных и прочих средств обеспечения полезной механической работы.
Источники информации:
1. Last-portal.ucoz.ru/news Водородная энергетика.
2. cleandex.ru Страны-лидеры мировой водородной энергетики.
3. kripsait.ru Водородная энергетика. Прогресс: наука и технологии.
4. Н. Л. Глинка «Общая химия», Госхимиздат, М., 1956, с. 196 – 199, 219 – 220.
5. А. А. Кудрявцев «Составление химических уравнений», М., «Высшая школа», 1991, с. 220 – 222.