Перспективы энергетики будущего. Кальченко А.А. | Наука 21 век

Наука 21 век » Перспективы энергетики будущего. Кальченко А.А.





Перспективы энергетики будущего. Кальченко А.А.

Январь 6th, 2013

В предлагаемой статье рассматриваются вопросы выработки электроэнергии и тепла на основе использования в качестве топлива любых видов растительных жиров. В статье описаны соответствующие теоретические и практические подходы к использованию подобных видов топлива. Задачей рассматриваемой разработки является создание термоядерного двигателя реактивного типа, работающего на любых видах растительных жиров. Технический результат достигается за счет создания условий для протекания в локальных областях реактора двигателя реакции термоядерного синтеза протон-протонного цикла ppI.

Поставленная задача решается тем, что двигатель, состоящий из цилиндрического ротора, выполненного из кислотостойкой стали на никелевой основе, один фланец которого представляет собой по исполнению центробежный насос, а к другому прикреплен конический жаропрочный никельсодержащий вал-катализатор с содержанием никеля более 70%, с отверстием для подачи масла в реактор под давлением, причем сам ротор-реактор-турбина помещен в герметичный корпус, который в свою очередь выполняет функцию топливного бака, двигатель снабжен насосом высокого давления, системой охлаждения, фильтрации, регулировки и контроля давления и температуры масла, электростарта двигателя.

Перспективы энергетики будущего 

Увы, следуя законам жанра, при рассмотрении вопросов, связанных с проблемами энергетики, вновь и вновь приходится ссылаться на набившие оскомину тезисы об ограниченности углеводородного топлива, что помимо его экологической вредности оно все равно, рано или поздно закончится. Что запасов нефти и газа по прогнозам экспертов осталось всего на 40-50 лет. Атомная энергетика небезопасна, да и стоимость ее желала бы лучшего. Альтернативные возобновляемые источники энергии ничтожно малы. Уповать приходится только на способы получения термоядерной энергии, которые позволяют получать неограниченные ее количества. Но и здесь не все так просто. Существуют два направления по ее реализации. Первое, это система ТОКАМАК, в которой разогрев и удержание плазмы производится магнитным и электрическим полем. Это так называемая стационарная или квазистационарная система. В настоящее время достигнуто только равенство выделяемой и затрачиваемой на удержание этой выделяемой энергии величин. Но даже в перспективе, если удастся получить преобладание выделяемой энергии над затрачиваемой, то в силу линейной зависимости их значений рентабельность этих установок будет не особо эффективной. Еще хуже обстоят дела с другим направлением – импульсным или инерциальным способом запуска термоядерной реакции. Здесь много нерешенных проблем с драйверами, осуществляющими облучение мишеней, самими мишенями, системами подачи и фиксации мишеней в самой камере. При этом шокирует величина гигантских сооружений и соответственно капиталовложений необходимых для того, чтобы сжечь мишень размером в два миллиметра. Звучат уверения, что все проблемы, связанные с термоядерным синтезом будут решены к 2050 году. На чем они основаны – непонятно.

Но все ли так плохо, как кажется на первый взгляд, и нас ждет энергетическая катастрофа. Думаю, что нет.Предлагаю обсудить способ сжатия водородного вещества до критериев поджига термоядерной реакции, предложенный нам самой природой. Назовем его химико-каталитическим методом.

В пищевой промышленности давно известна технология получения твердых саломасов из глицеридов олеиновой, ленолевой, линоленовой и других ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав хлопкового, подсолнечного, соевого, конопляного, кукурузного и других растительных масел. Это происходит при помощи гидрогенизации (гидрирования) – реакции присоединения водорода по кратной связи в присутствии никелевого либо других катализаторов.

С17Н29СООН + Н2↔ С17Н31СООН
С17Н31СООН + Н2↔ С17Н33СООН (1)
С17Н33СООН + Н2 ↔ С17Н35СООН (насыщенная стеариновая кислота)

Отщепление водорода от соединения называется дегидрогенизацией. Гидрогенизация и дегидрогенизация связана динамическим равновесием. Температура выше 140°C, давление ниже 0,2 MПa, наличие катализатора и отсутствие водорода сдвигают равновесие влево. Такая же высокая температура, высокое давление, которое меньше либо равно 1MПa, присутствие катализатора и газообразного водорода сдвигают равновесие вправо. (Химическая энциклопедия, Википедия, И.И.Захарова «Технология переработки жиров» (см. ссылку (http://www.cafemars.ru/bookinfo-i-i-zakharova/i-i-zakharova-tekhnologiya-pererabotki-zhirov-razdel-1.html?start=129))

Для начала, рассмотрим кинетику этих процессов внутри полого цилиндрического реактора, в центре которого находится никелевый катализатор в виде осесимметричного вала, а с внутренней стороны стенки цилиндра выполнены лопатки, также из никелевого сплава, расположенные вдоль оси цилиндра. Будем нагнетать в полость реактора смесь из вышеприведенных жирных кислот под давлением от 2 до 4 МПа при температуре выше 140℃. Почему именно эти границы – выяснится ниже. Зададим реактору угловую скорость, при которой за убегающей стенкой лопатки возникнет разрежение давления ниже 0,2МПа. Эти условия создадут сдвиг равновесия уравнений (1) влево. В точках соприкосновения жирных кислот с никелевыми центрами будет выделяться газообразный водород, который под действием сил центробежного сепарирования будет смещаться к центру реактора. При этом пузырьки будут сталкиваться объединяться и увеличиваться в размерах. Давление в них будет такое, как и в жидкости 2-4МПа. При этом реакция гидрирования осуществляться не будет, поскольку энергия разрыва межатомной связи в молекуле водорода равна 436кДж/моль, разрыва этиленовой связи в мононенасыщенной углеродной цепи – 271кДж/моль. Более того для экзотермической реакции присоединения молекулы водорода к этиленовой связи энергия активации реакции с образованием промежуточного комплекса равна примерно 30% суммы энергий разрывающихся связей, что составляет 212кДж/моль. При таких значениях, чисто термическая некаталитическая реакция гидрирования протекать не будет. Даже при 600℃ лишь одно соударение молекул из 1012 соударений может завершиться химической реакцией.

Когда водородный пузырек достигает центрального катализатора, то в какой-то момент образуется некая площадь соприкосновения трех необходимых для осуществления реакции гидрирования агрегатных состояний. Твердого – катализатора, газообразного – водорода и жидкого – жира, который тончайшим слоем располагается между газом и катализатором, а также по контуру соприкосновения. Исходные молекулы хемосорбируются на каталитической поверхности, образуя активированные комплексы. В результате взаимодействия с поверхностью силовые поля активных центров катализатора ослабляют межатомные связи адсорбированных молекул вплоть до их разрыва. В результате этого реакционная способность активированных молекул возрастает и взаимодействие молекул водорода и ненасыщенной жирной кислоты становится возможным при меньшем запасе энергии, снижается энергия активации химической реакции. Происходит процесс осаждения водорода на двойные связи жирных кислот. (Википедия, Химическая энциклопедия, Арутюнян Н.С., Аришева Е.А., Янова Л.И., Захарова И.И., Меламуд Н.Л. «Технология переработки жиров» М. Агропромиздат, 1985г. с.368).ъ

При этом давление в газе становится меньше 1МПа. Уменьшение объема пузырька водорода за счет реакции гидрогенизации происходит с постоянной скоростью. В тоже время схлопывание стенки пузырька за счет давления жира происходит с огромным ускорением. В результате этого, в определенный момент времени, скорость сжатия стенки каверны будет превосходить скорость осаждения молекул водорода на этиленовые связи кислот. И тогда давление в пузырьке начнет резко увеличиваться, что повлечет за собой сильное повышение температуры газа. Другими словами происходит имплозия. Взрыв внутрь. Оценим количественно температурные эффекты внутри пузырька в конечный момент его схлопывания.

Для этого воспользуемся решением задачи о давлении, развивающемся в жидкости при схлопывании «пустой» сферической каверны, решеной в 1917г. лордом Рэлеем. (Кнэпп.Р. «Кавитация» Р. Кнэпп, Дж. Дейли, Ф. Хэммит – М. Мир 1974. 668с.)

Интегрированием выражения для кинетической энергии концентрических сферических слоев жидкости толщиной dr и плотностью ρ было получено выражение для кинетической энергии всей массы жидкости в момент времени t.

КL=ρ/2 ∫_(R_0)^∞▒u^2 4πr^2 □(24&dr=2πρ) u_г^2 R_0^3. (2)

Где ρ - плотность жидкости;
u – радиальная скорость на произвольном расстоянии r>R от центра полости;
uг – радиальная скорость стенки полости;
R0 – радиус каверны в момент схлопывания;

Так как на стенке каверны, где давление предполагается равным нулю, не совершается никакой работы, работа, совершаемая всей массой жидкости при схлопывании каверны от начального радиуса Rmax до радиуса схлопывания R0, равна произведению давления на бесконечности р_∞ и изменения объема каверны, т.е.

AL=p_∞∆V=(4πp_∞)/3 (R_max^3-R_0^3 ). (3)

Так как жидкость предполагается невязкой и несжимаемой, то вся работа, совершаемая массой жидкости, превращается в кинетическую энергию. Следовательно, формулу (2) можно приравнять к формуле (3). В результате получим

uг =√((2p_∞)/3ρ ((R_max^3)/(R_0^3 )-1) ). (4)

В нашем случае каверна не пустая, а заполнена газообразным водородом под давлением меньше либо равно 1МПа. В то же время давление в жидкости составляет от 2МПа до 4МПа. Поэтому значение р_∞ в формуле (3) равно разности давления в жидкости и давления в газовом пузырьке.
Пусть〖 р〗_∞=2МПа -1МПа=1МПа.;
ρ=930кг/м3.
Rmax=10-4м.;
R0=10-7м.;

Тогда в момент схлопывания водородного пузырька для скорости стенки каверны получаем значение uг равное приблизительно 850000м/сек. Предполагая, что кинетическая энергия газообразного водорода переходит в момент коллапса в энергию тепловую можно записать:
с∆m∆T≅(∆mu_г^2)/2; (5)
где
с = 7/2R ∙ 〖10〗^3 Дж/(кг×К); (6)

с – удельная теплоемкость разогретого до сверхвысоких температур водорода
∆m- масса газообразного водорода, который разогревается под давлением стенки каверны;
∆Т – изменение температуры при разогреве водорода.
R – газовая постоянная равная 8,314 Дж/К ∙моль;

Значение теплоемкости получаем, приблизительно, равным 30000 Дж/кг ∙К. Подставляя данные в формулу (5), получаем для значения температуры в области коллапса;

∆T≅(u_г^2)/2с≅12∙〖10〗^6К (7)

Как мы видим, при данной температуре вполне возможно протекание термоядерных реакций протон-протонного цикла ррI, которые доминируют при температурах от 10 до 14 миллионов градусов.Цикл включает в себя три стадии. Вначале два протона, имеющие достаточно энергии, чтобы преодолеть кулоновский барьер, сливаются, образуя дейтрон, позитрон и электронное нейтрино. Затем дейтрон сливается с протоном, образуя ядро (_^3)He; наконец, два ядра атома гелия-3 сливаются, образуя ядро атома гелия-4. При этом высвобождаются два протона.

p + p→ d + e+ + νe + 0.42МэВ
d + p→(_^3)He+γ+5.49Мэв. (8)
(_^3)He+(_^3)He →(_^4)He+2 p+12.85Мэв.

На практике, скорей всего, будет реализовываться только первое уравнение. Основным источником энергии будет при этом реакция аннигиляции позитрона с электроном, поскольку почти вся энергия реакции первого уравнения будет уноситься электронным нейтрино. Возникающий дейтрон, после того как захватит на свою орбиту электрон, может образовывать молекулы, как с атомами водорода, так и с атомами дейтерия, осаждаясь на этиленовые связи кислот, образуя тяжелые жиры. В дальнейших циклах дегидрогенизации – гидрогенизации жирных кислот может реализовываться второе уравнение, где источником энергии станет гамма-квант и своеобразным выхлопом установки будет изотоп гелия-3. Третье уравнение реализовываться не будет. Как видно из уравнений, выделение энергии в данных реакциях отлично от традиционных дейтерий-тритиевых термоядерных реакций, характеризующихся большим сечением реакции. Оно не сопровождается выделением поражающего излучения. Это характеризует способ как экологически безопасный и экологически чистый.

 рис.1

После того, как мы рассмотрели механизм запуска термоядерной энергии протон-протонного цикла, попробуем реализовать способ преобразования ее в энергию механическую. Другими словами создадим термоядерный двигатель. Для этого рассмотрим устройство, изображенное на рис.1. Оно представляет собой реактор-турбину, соединенную посредством муфты-переходника 6 с внешним насосом высокого давления и помещенную в герметичный корпус 5, который в свою очередь является резервуаром для топлива и рабочего тела двигателя. Реактор-турбина в свою очередь состоит из цилиндрического ротора 1, конического вала-катализатора 2, центробежного насоса и генератора водорода 3, форсунок 4.

Теперь мы будем вводить в полость реактора при температуре выше 140 ℃ растительное масло и воду в объеме 8-15% от массы масла. При давлении от 2 до 4 МПа возникают условия для безреактивного метода гидролиза жира, который описывается уравнением:

СН2-О-СОС17Н29 СН2-ОН С17Н29СООН
СН-О-СОС17Н31 + 3Н2О □(⇒┬ ) СН-ОН + С17Н31СООН (9)
СН2-О-СОС17Н33 СН2-ОН С17Н33СООН
Жир Глицерин Ненасыщенные жирные кислоты

Указанное выше количество воды, вводимое в масло, является избыточным для полного омыления глицеридов. Поэтому избыток воды будет создавать раствор с глицерином в любых пропорциях, который характеризуется высоким давлением паров. Этот раствор называется глицериновой водой. В двигателе он является рабочим телом. Жирные кислоты, напротив, характеризуются низким давлением паров, но у них другая функция. Ее мы рассмотрели выше.

Известно, что температура кипения чистого глицерина составляет 2900С. При добавлении в него всего 5% воды, температура кипения снижается до 1600С. При дальнейшем разбавлении, температура приближается к 1000С. При смешивании с водой глицерин выделяет тепло и уменьшается в объеме. Удельная плотность глицериновой воды больше единицы. Следовательно, когда она приобретает вращательное движение в реактор – турбине, она больше отжимается от центра устройства, чем жирные кислоты, поскольку у них удельная плотность составляет 0,8-0,9 г/см3. При попадании в форсунки 4, расширяющиеся сопла которых направлены в сторону, противоположную направлению вращения реактор – турбины, глицериновая вода, при температуре 1500С и атмосферном давлении, будет, мгновенно испарятся и придавать турбине вращательный момент. Произведя работу, она теряет температуру и, конденсируясь на стенках герметичного корпуса 5, стекает в масло.

Кроме того, рассмотрим еще некоторые моменты работы двигателя. Дегидрогенизация является эндотермической реакцией, т.к. идет с поглощением теплоты. С другой стороны гидрирование – экзотермическая реакция с тепловым эффектом от 105 до 109 кДж/моль. Значит, центробежный насос 3 будет охлаждаться, а вал – катализатор 2 перегреваться. Поэтому назначение центробежного насоса это не только генерация газообразного водорода, но и внутренняя циркуляция масла от охлаждаемых лопаток насоса до перегретого вала – катализатора и наоборот. Суммарный тепловой эффект гидрирования и дегидрирования равен нулю. Энергетический вклад в работу двигателя происходит только от термоядерных реакций, происходящих на поверхности конического вала-катализатора 2, что приводит к еще более высокой передаваемой на него тепловой нагрузке. Для отвода от него теплоты масло необходимо охлаждать во внешнем контуре, например в масляном радиаторе, и затем пропускать через вал-катализатор 2, соответственно охлаждая его. Особо следует заметить, что при работе двигателя необходимо соблюдать равновесие между выделяемой на катализаторе тепловой мощностью и отводимой от него энергией. В противном случае не только масло будет разрушаться и полимеризироваться, но и поверхность вала – катализатора 2 будет диспергироваться. Частицы никеля будут гидрировать жир во всем объеме двигателя, сведя его работу на нет. Удаление частиц никеля из масла можно производить с помощью фильтра тонкой очистки. Мощность двигателя регулируется при помощи задания давления в масле и формы вала – катализатора. Математические выкладки, изложенные выше, показывают, что при заданном давлении существует минимальный размер водородного пузырька, меньше которого термоядерная реакция не запустится. Также показано, что размеры пузырька больше у центра устройства, чем на периферии. Таким образом, коническая форма вала-катализатора 2 позволяет использовать в режиме термоядерных реакций только его вершинную часть. Остальная часть работает только в режиме гидрогенизации жира. Увеличивая давление масла, мы увеличиваем площадь поверхности катализатора работающего в термоядерном режиме и соответственно увеличиваем мощность двигателя. Для создания двигателя с мощностью, превосходящей критическую, т.е. когда двигатель будет саморазрушаться, нужно наращивать количество секций, изображенных на рис.1. Еще одним фактором, обеспечивающим ресурс работы двигателя, является то, что когда жирные кислоты вместе с парами глицериновой воды вырываются из форсунок, они вступают во взаимодействие с кислородом воздуха и соответственно окисляются, теряя свои свойства как топливо. Во избежание этого необходимо пространство между корпусом и реактором – турбиной заполнить инертным газом, либо внести в масло антиоксиданты. Теоретически двигатель должен работать до тех пор, пока жирные кислоты не истощатся, и реакция дегидратации не прекратится.

Ядерное эффективное сечение реакций протон-протонного цикла по сравнению со всеми другими термоядерными реакциями очень мало, но и энергозатрат на поддержку реакции тоже немного, по сравнению с известными способами. Более того, энерговыделение необходимо поддерживать таким образом, чтобы температура масла находилась в пределах 150-250℃. Непонятно, что будет с поверхностью катализатора при таких тяжелых условиях, которые возникают в момент коллапса водородного пузырька. Тут и так все вышеизложенное кажется маловероятным, так еще надо контролировать температуру в таких узких, по сравнению с величиной температуры термояда, рамках.

Единственно, оптимизм внушает тот факт, что этот двигатель уже существовал, он работал и поражал своими показателями. Но его незаслуженно забыли, или постарались забыть.
В 70-е годы прошлого века оператор асфальтной техники из Далласа Ричард Клем подметил, что битумные насосы после выключения продолжали самостоятельно работать еще в течение 30-ти минут. Этот факт сподвигнул его на создание из списанных насосов двигателя, описание которого можно найти по ссылке (http://www.keelynet.com/energy/clem1.htm)

Для непосвященного читателя статья кажется сумбурной и непонятной. Но если вооружится вышеприведенными выкладками, то принцип работы двигателя становится ясен. Хоть сам автор скорей всего его не знал. Лукавил он и когда утверждал, что двигатель работает только на растительном масле. О дозированном применении воды говорят фотографии (см. http://www.keelynet.com/energy/clemcar.htm) на которых видны многочисленные трубки, по которым скорей всего поставлялась вода для компенсации потерь паров воды при работе двигателя.
Что же мы получим, если окажется, что этот двигатель реален?

Во-первых, мы получаем дешевый, возобновляемый источник энергии. Ресурс двигателя без дозаправки должен быть огромен. Оценим этот ресурс.

Как видно из структурной формулы (9), одна молекула жира несет на себе 1-2 молекулы нашего термоядерного топлива – водорода. Усредняя по количеству протонов, получаем, что она обеспечивает протекание и первого и второго уравнений (8) с суммарным выходом энергии 6,5 МэВ, поскольку энергия аннигиляции электрона с позитроном равна приблизительно 1МэВ. (1эВ=1,6•10-19Дж). Отсюда следует, что 1 грамм молекул масла заключает в себе энергии:

Е(1 гр. жира)= 6.5МэВ•1.6•10-19Дж • 6•1023мол/моль / 878(а.е.м. молекулы жира)=710МДж

Припоминая, что удельная теплота сгорания бензина равна 44МДж/кг., выходит, что 1 гр. жирных молекул эквивалентен по энергобалансу 20 литрам бензина. Даже при грубых расчетах получается, что три канистры масла (60 литров) достаточно для полного энергоснабжения коттеджа площадью 200 кв.м. в течение целого года. Более того, если в контур двигателя между насосом высокого давления и реактор-турбиной поместить устройство, соединенное с баллоном, содержащим технический водород под высоким давлением и которое, по определенному алгоритму будет поддерживать иодное число жира на постоянном уровне, то ресурс двигателя, теоретически, становится просто неограниченным.

Таким образом, при использовании двигателя, появляется возможность автономного тепло- и электронабжения любого комплекса ЖКХ. Отпадает необходимость в централизованных электрических и тепловых сетях. Переведя энергоемкие заводы на новый вид энергоснабжения можно существенно снизить себестоимость производимой ими продукции. Автомобили перестанут отравлять окружающую атмосферу. Появятся частные авиамобили, которые будут управляться из централизованной диспетчерской в режиме 3D-GPS навигации по заранее заданному хозяином маршруту. Появятся новые возможности в освоении Сибири и Дальнего Востока. Можно приводить огромное количество открывающихся перспектив при внедрении этих энергоустановок.Но коль скоро все это так, то тогда Добро Пожаловать в Эру Термоядерной Биоэнергетики .

Публикуется с разрешения автора. 

Информация об авторе:

Анатолий Кальченко родился в 1966году. После службы в армии поступил в Московский Государственный университет им. М.В. Ломоносова. В 1993 году окончил его по специальности физика. Долгое время занимался вопросами вакуумной и специальной металлургии. В настоящее время возглавляет малое предприятие по производству титановых сплавов электронно-лучевого переплава. Хобби - мониторинг состояния науки в области нетрадиционных способов получения энергии. Данная статья – собственный взгляд на возможность решения надвигающейся энергетической проблемы.

Контактные данные: anatolij.kalchenko@mail.ru

 

 

Перспективы энергетики будущего / Кальченко А.А.; ООО «Сен Мишель Груп», Национальный Копирайт-Центр - Москва, 2012. - бб с. - Рус. - Деп. в ВИНИТИ (№ 369–В2012 от 10.09.12)

Национальный Копирайт-Центр
http://nationalcenter.ru
Россия, Москва
Смоленский бульвар д. 24 стр. 2.
Группа компаний «Сен Мишель Груп»
Тел. (499) 248 28 47

 







Повышение квалификации. Основы интеллектуальной собственности