Московский инженерно-физический институт

И.Л. КЛЫКОВ, С.В. КОПЕРНИК, Н.В. ЩАВРУК
Научные руководители – Ю.А. ПОПОВ, д.т.н., профессор,
В.Г. ГРИШИН, инженер
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Международный научно-технический парк “Технопарк в Москворечье”
Межфакультетская научная группа “DIAMOND-МИФИ”
РАЗВИТИЕ ПРОЕКТА
“ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ”
Проведен 1й этап ОКР “Разработка плазменно-электрохимических генераторов тепловой
энергии”. Изготовлены демонстрационные образцы парогенераторов марки ИГРА –3/2 и
ИГРА 3/3. Составлены эскизные проекты “Котлы автоматические электрические водяные
марки ИГРА – 10 и Игра – 12”. Разработана программа изготовления опытного образца генератора водорода марки ИГРА – 5.
1.Введение
В конце 2001 г. предложен [1] инновационный проект использования
плазменно-электрохимических процессов для генерации тепловой энергии в трех видах технического исполнения: отопительный агрегат, экспресс-парогенератор, генератор водорода. Ввиду ожидаемого большого
объема работ был увеличен студенческий коллектив, привлечены к сотрудничеству ИЗМИРАН (Ю.Н. Бажутов) и ИПРИМ РАН (В.Ю. Великодный). Это позволило обеспичить развитие проекта необходимыми
научными проработками [2, 3, 4] и подготовить научно-техническую базу
гарантиям освоения ожидаемого финансирования.
В тоже время надо констатировать, что за истекший год не произошло
существенных прорывов. Проводимая авторами ОКР по использованию
тепловых эффектов атомно-ядерных процессов, протекающих в плазмодинамическом (ПД) реакторе, в фундаментальной части является комплексом гипотез выработанных в результате экспериментальноаналитического обобщения [5] нескольких сотен разнородных исследований за 200-летний период развития “Плазменной электрохимии” – науки
не имеющей пока официального статуса.
2.Демонстрационные образцы парогенераторов.
Принцип “втягивания” насыщенного водяного пара любых параметров
из оболочки катодного плазменного сфероида описан авторами в [6]. Де-
монстрационные образцы парогенераторов изготавливались по шаблону
лабораторного образца ИГРА 3/1, созданного в результате проведения
НИР на кафедре “Физика плазмы” МИФИ.
2.1. Парогенератор периодического действия ИГРА 3/2.
Парогенератор изготовлен на базе термоса из нержавеющей стали объемом 4 дм3. Запуск производится посредством залива в него до 3 дм 3 водопроводной воды, закрытие его специальной крышкой и подключением
блока питания к напряжению 220В. Не более чем через 2 минуты из
пласмассовой трубки, выходящей из крышки, к потребителю начинает
поступать пар давлением до 0,2 МПа (температура – 390 К). При мощности 2 кВт (ток 10А) парогенератор вырабатывает не менее 3 кг пара в час.
Блок питания состоит из диодного моста и лабораторного автотрансформатора с регулируемым напряжением на выходе в диапазоне 0-250В при
силе тока до 10А.
Парогенератор ИГРА-3/2 демонстрировался на международном промышленном салоне “Архимед 2002” . В настоящее время ведутся работы
по усовершенствованию блока питания, проектированию АЦП и созданию демонстрационного образца ИГРА- 3/2У на основе сифона с цельнолитым корпусом из нержавеющей стали.
2.2. Парогенератор непрерывного действия ИГРА 3/3.
Так как данный парогенератор стационарно подсоединен к коммунальному водопроводу, то емкостью служит двухдюймовая труба из нержавеющей стали. С обоих концов она закрыта крышками, из которых
выходят пластмассовые трубки. Из верхней крышки выходит шнур питания, включением которого в сеть напряжением 220 В производится запуск
парогенератора. Подача в емкость воды из водопровода осуществляется
через штуцер, находящейся в верхней части трубы.
На рис. 1 представлена пневмомеханическая эквивалентная схема системы “подсоса” воды в парогенератор. Выход на стационарный режим парогенератора ИГРА 3/3 производится не более чем через минуту после
включения в электросеть и подачи воды: к потребителю начинает поступать водяной пар давлением до 0,3 МПа (температура до 400 К).
накопитель
накопитель
конденсатор
ПД –
реактор
конденсатор
Водопровод
а) Цикл накопления воды
ПД –
реактор
Водопровод
а) Цикл накопления воды
Рис. 1. Пневмомеханическая эквивалентная схема системы “подсоса” воды
в парогенератор
Опытный образец парогенератора ИГРА 3/3 демонстрируется в
ИПРИМ РАН. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию его дизайна для ускорения поиска спонсора по созданию пилотного
образца.
3. Проекты котлов автоматических электрических водяных.
В ходе многочисленных демонстраций парогенератора непрерывного
действия ИГРА 3/3 потенциальные заказчики, высказали пожелания исследовать возможность применения парогенераторов этого типа в различных системах отопления. Большинство отечественных предпринимателей
игнорируют тот факт, что парогенераторы марки ИГРА – это научнотехнический прорыв в обеспечении водяным паром в первую очередь
предприятий, эпизодически нуждающихся в этом энергоносителе всего
диапазона возможных параметров, где строительство котельной с паровыми котлами экономически невыгодно. В такой ситуации авторами составлены эскизные проекты для типовых отопительных систем в соответствии с пожеланиями наиболее авторитетных потенциальных заказчиков.
3.1. Котел автоматический для типового помещения площадью 250 м 2.
Котел встраивается в систему типового центрального отопления так
же, как и широко распространенные газовые котлы типа АГВ, то есть в
данном случае он заменяет котел АГВ –250. Котел АЭВ – 250 (автоматический электрический водяной для площади помещения 250 м 2) более чем
в пять раз легче АГВ –250 и легко переносится. Основное применение там, где подводка стационарного газа экономически невыгодна. При эксплуатации АЭВ – 250 потребление электроэнергии в максимуме составит
мощность 15 кВт.
Котел представляет из себя три четырехдюймовые пластмассовые трубы с фланцами длинной 700 мм каждая. Сборка котла состоит во фланцевом соединении этих трех труб и установки образовавшейся сборной тру-
бы в вертикальное положение. По стандартной схеме монтажа котлов
типа АГВ в систему центрального водяного отопления котел АЭВ–250
верхним фланцем соединяется с “прямой линией”, а нижним фланцем – с
“обратной линией” системы центрального водяного отопления. Затем образовавшаяся система заполняется водой – и она готова к эксплуатации.
Запускается АЭВ – 250 включением пакетного электрического выключателя.
На рис. 2 представлена принципиальная схема отопительной системы
с использованием АЭВ –250.
Прямая линия центрального отопления
Электросеть
трехфазная
380 В
Радиатор
парогенератор
парогенератор
1я фаза
2я фаза
Змеевики
Радиатор
парогенератор
3я фаза
нулевой провод
Обратная линия
Рис. 2. Принципиальная схема отопительной системы с АЭВ –250
Парогенераторы погружены в циркулирующий по системе водяной
поток. При этом вырабатываемый ими водяной пар подается в змеевики,
вмонтированные в пластмассовые трубы, который, конденсируясь, возвращается в парогенератор. Питание осуществляется от трехфазной электросети, корпуса парогенераторов дополнительно заземляются.
В гидроаэродинамической схеме АЭВ – 250 присутствует не менее
двух не имеющих аналогов элементов, которые обеспечивают конкурентноспособность котлов этого типа.
3.2. Бойлер-подогреватель серии ИГРА-10.
Перед авторами была поставлена задача обеспечить нагрев отработанной горячей воды с температурой 342 К для повторного использования,
которую обычно возвращают из теплового пункта (ТП) на ТЭЦ.
Конечная температура нагрева – 363 К; максимальный расход воды – 3
дм3/с; соответствующая необходимая тепловая мощность – 260 кВт;
Парогенераторы марки ИГРА 3/3 полностью погружаются в водяной
поток, в связи с чем могут быть приняты за новый тип ТЭН-ов. Однако
такая характеристика неправильна: часть водяного потока проходит через
ПД-реакторы, отдавая свои протоны и дейтроны для атомно-ядерных
процессов, выделяющих тепловую энергию, – поэтому авторы назвали их
АТВЭЛ-ами. На рис. 3 представлены принципиальные схемы АТВЭЛ и их
последовательного и параллельного соединения в системе подачи горячей
воды потребителю.
В виду срочВода к
ности задания в
потребителю
спроектированном бойлере пофазовый провод
догревателе заНулевой
действованы испровод
пытанные парогенераторы марки
парогенератор
ИГРА-3/3. Так
Пластмассовая
труба
как в проекте
Водяной
применены сипоток из
насосов
стемы, не имеюТП
щие аналогов,
а)
б)
в)
бойлер подогреРис. 3 Принципиальные схемы: а) АТВЭЛ, б) Последовательное
ватель маркиросоединение АТВЭЛ’ов, в) Параллельное соединение АТВЭЛ’ов
ван как первая
модель серии
ИГРА-10, то есть ИГРА 10/1.
4. Программа работ по изготовлению опытного образца генератора водорода ИГРА -5/1.
Конечной целью творческого студенческого коллектива является создание парогенераторов марки ИГРА 3/3÷3/10 и генераторов водорода
марки ИГРА 5/1÷5/10. В случае решения проблемы производства дешевого водорода будет реализовано снабжение потребителей энергией “в розницу”. В проведенной на кафедре “Физика плазмы” НИР установлена
возможность получения водорода себестоимостью ниже получаемого в
настоящее время. За прошедший год авторами проведены научно-
технические проработки ключевых узлов плазменно-электрохимического
генератора водорода, позволивших составить программу работ по созданию опытного образца ИГРА 5/1.
Программа
Наименование работ
Стоимость,
млн. долларов
1. Разработка и изготовление
плазменно-электрохимического аппарата.
2. Разработка и изготовление диагностик приборов
для плазменно-электрохимических процессов
3. Разработка и реализация системы
имитационного моделирования
“вход: водородосодержащее сырье - выход: водород заданной стоимости”
4. Изготовление демонстрационного образца
генератора водорода
5. Изготовление пилотного образца
генератора водорода производительностью 1÷5 м3 Н2/час
0,2
0,4
0,1
0,05
0,15÷0,25
В качестве иллюстрации к проведенным опытно-конструкторским
проработкам на рис. 4 представлены полученные результаты.
Концентрация
протонов и дейтронов
Концентрация молекулярного водорода
моль Н+
моль(Н2О)2(ОН)6
моль Н2
моль Н2О
1
кДж
моль
взрыв
взрыв
2Н2О  2Н2 + О2
450
Р>10 ГПа
1
Свободная энергия процесса
р>3 ГПа
0.5
225
0.5
взрыв
2Н2+О2 
2Н2О
Н2О → Н2 + 0.5О2
2·10-6
0
0
300
600
а)
900
Т,К
0
2500
б)
5000
Т,К - 100
3000
6000
Т,К
в)
Рис. 4. а) Диссоциация “жидкой” воды в ПД- реакторе; б) Термическое разложение воды; в) термодинамика процесса;
сплошные линии – справочные данные; пунктир – опытно-аналитические результаты
5. Дальнейшее развитие.
В случае дальнейшего отсутствия финансирования ОКР планируется
проводить по следующим параллельным направлениям.
1. Продолжение увеличения студенческого коллектива и привлечение к сотрудничеству научных организаций по профилям: плазменная
электрохимия, физхимии твердого тела, атомно-ядерных процессов, энерго-массообмена.
2. Продолжение опытно-конструкторских проработок последовательно возникающих научно-технических проблем в работах по плазменно-электрохимическому генерированию водяного пара, водорода, тепловой энергии. В настоящее время такой проблемой является анодный электрический разряд в электролите [6].
В случае открытия финансирования направление работ будет согласовано с заказчиком с уведомлением его о том, что по проблеме генерации
водорода первоначальное субсидирование работ суммой менее ста тысяч
долларов не сможет обеспечить гарантии положительного практического
результата, но будет спонсированием продвижения в решении одной из
важнейших энергетических проблем современности.
Список литературы:
1.
И.Л. Клыков, Н.В. Щаврук. – научные руководители Ю. А. Попов, В.Г. Гришин, Плазменно-электрохимические генераторы тепловой энергии.// Научная сессия МИФИ-2002.
Сб. научн. трудов. В 14 томах. Т. 11., М. МИФИ, 2002, с.62-64.
2.
В.Ю. Великородный, В.Г. Гришин. Экспериментальное исследование работы вихревых нагревателей. // Холодная трансмутация ядер. Материалы 9-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс. Сочи. 30 сентября – 7
октября 2001 г . М. 2002, с. 99-102.
3.
Ю.Н. Бажутов, В.Г. Гришин, В.Н. Носов. Электролиз с газовым разрядом на аноде. //Программа и тезисы 10-й российской конференции по холодной трансмутации ядер
химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс. Сочи. 29 сентября – 6 октября 2002 г .
М. 2002, с. 27
4.
В.Ю. Великодный, В.Г. Гришин. Экспериментальное исследование работы вихревых нагревателей с выносным контуром.// Программа и тезисы 10-й российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов и шаровой молнии. Дагомыс.
Сочи. 29 сентября – 6 октября 2002 г . М. 2002, с. 50
5.
В.Г. Гришин, А.Д. Давыдов. Плазмодинамический реактор для нейтрализации
протонов и дейтронов в природной воде.// Холодная трансмутация ядер. Материалы 9-й
российской конференции по холодной трансмутации ядер химических элементов. Дагомыс.
Сочи. 30 сентября – 7 октября 2001 г . М. 2002, с. 106-111.
6.
В.Г. Гришин, И.Л. Клыков, С.В. Коперник, Н.В. Щаврук. Анодный электрический
разряд в электролите.// Научная сессия МИФИ-2003. Сб. научн. трудов. В 14 томах. Т. 4., М.
МИФИ, 2003