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-технологический парк “Технопарк в Москворечье”

Межфакультетская научная группа “DIAMOND-МИФИ”

РАЗВИТИЕ ПРОЕКТА

“ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ”

Проведен 1^й этап ОКР “Разработка плазменно-электрохимических генераторов тепловой энергии”. Изготовлены демонстрационные образцы парогенераторов марки ИГРА –3/2 и ИГРА 3/3. Составлены эскизные проекты “Котлы автоматические электрические водяные марки ИГРА – 10 и Игра – 12”. Разработана программа изготовления опытного образца генератора водорода марки ИГРА – 5.

1. Введение

В конце 2001 г. предложен [1] инновационный проект использования плазменно-электрохимических процессов для генерации тепловой энергии в трех видах технического исполнения: отопительный агрегат, экспресс-парогенератор, генератор водорода. Ввиду ожидаемого большого объема работ был увеличен студенческий коллектив, привлечены к сотрудничеству ИЗМИРАН (Ю.Н. Бажутов) и ИПРИМ РАН (В.Ю. Великодный). Это позволило обеспичить развитие проекта необходимыми научными проработками [2, 3, 4] и подготовить научно-техническую базу гарантиям освоения ожидаемого финансирования.

В тоже время надо констатировать, что за истекший год не произошло существенных прорывов. Проводимая авторами ОКР по использованию тепловых эффектов атомно-ядерных процессов, протекающих в плазмодинамическом (ПД) реакторе, в фундаментальной части является комплексом гипотез выработанных в результате экспериментально-аналитического обобщения [5] нескольких сотен разнородных исследований за 200-летний период развития “Плазменной электрохимии” – науки не имеющей пока официального статуса.

2. Демонстрационные образцы парогенераторов.

Принцип “втягивания” насыщенного водяного пара любых параметров из оболочки катодного плазменного сфероида описан авторами в [6]. Демонстрационные образцы парогенераторов изготавливались по шаблону лабораторного образца ИГРА 3/1, созданного в результате проведения НИР на кафедре “Физика плазмы” МИФИ.

2.1. Парогенератор периодического действия ИГРА 3/2.

Парогенератор изготовлен на базе термоса из нержавеющей стали объемом 4 дм³. Запуск производится посредством залива в него до 3 дм³ водопроводной воды, закрытие его специальной крышкой и подключением блока питания к напряжению 220В. Не более чем через 2 минуты из пласмассовой трубки, выходящей из крышки, к потребителю начинает поступать пар давлением до 0,2 МПа (температура – 390 К). При мощности 2 кВт (ток 10А) парогенератор вырабатывает не менее 3 кг пара в час. Блок питания состоит из диодного моста и лабораторного автотрансформатора с регулируемым напряжением на выходе в диапазоне 0-250В при силе тока до 10А.

Парогенератор ИГРА-3/2 демонстрировался на международном промышленном салоне “Архимед 2002”. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию блока питания, проектированию АЦП и созданию демонстрационного образца ИГРА- 3/2У на основе сифона с цельнолитым корпусом из нержавеющей стали.

2.2. Парогенератор непрерывного действия ИГРА 3/3.

Так как данный парогенератор стационарно подсоединен к коммунальному водопроводу, то емкостью служит двухдюймовая труба из нержавеющей стали. С обоих концов она закрыта крышками, из которых выходят пластмассовые трубки. Из верхней крышки выходит шнур питания, включением которого в сеть напряжением 220 В производится запуск парогенератора. Подача в емкость воды из водопровода осуществляется через штуцер, находящейся в верхней части трубы.

На рис. 1 представлена пневмомеханическая эквивалентная схема системы “подсоса” воды в парогенератор. Выход на стационарный режим парогенератора ИГРА 3/3 производится не более чем через минуту после включения в электросеть и подачи воды: к потребителю начинает поступать водяной пар давлением до 0,3 МПа (температура до 400 К).

Опытный образец парогенератора ИГРА 3/3 демонстрируется в ИПРИМ РАН. В настоящее время ведутся работы по усовершенствованию его дизайна для ускорения поиска спонсора по созданию пилотного образца.

3. Проекты котлов автоматических электрических водяных.

В ходе многочисленных демонстраций парогенератора непрерывного действия ИГРА 3/3 потенциальные заказчики, высказали пожелания исследовать возможность применения парогенераторов этого типа в различных системах отопления. Большинство отечественных предпринимателей игнорируют тот факт, что парогенераторы марки ИГРА – это научно-технический прорыв в обеспечении водяным паром в первую очередь предприятий, эпизодически нуждающихся в этом энергоносителе всего диапазона возможных параметров, где строительство котельной с паровыми котлами экономически невыгодно. В такой ситуации авторами составлены эскизные проекты для типовых отопительных систем в соответствии с пожеланиями наиболее авторитетных потенциальных заказчиков.

3.1. Котел автоматический для типового помещения площадью 250 м².

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 м²) более чем в пять раз легче АГВ –250 и легко переносится. Основное применение - там, где подводка стационарного газа экономически невыгодна. При эксплуатации АЭВ – 250 потребление электроэнергии в максимуме составит мощность 15 кВт.

Котел представляет из себя три четырехдюймовые пластмассовые трубы с фланцами длинной 700 мм каждая. Сборка котла состоит во фланцевом соединении этих трех труб и установки образовавшейся сборной трубы в вертикальное положение. По стандартной схеме монтажа котлов типа АГВ в систему центрального водяного отопления котел АЭВ–250 верхним фланцем соединяется с “прямой линией”, а нижним фланцем – с “обратной линией” системы центрального водяного отопления. Затем образовавшаяся система заполняется водой – и она готова к эксплуатации. Запускается АЭВ – 250 включением пакетного электрического выключателя.

На рис. 2 представлена принципиальная схема отопительной системы с использованием АЭВ –250.

Парогенераторы погружены в циркулирующий по системе водяной поток. При этом вырабатываемый ими водяной пар подается в змеевики, вмонтированные в пластмассовые трубы, который, конденсируясь, возвращается в парогенератор. Питание осуществляется от трехфазной электросети, корпуса парогенераторов дополнительно заземляются.

В гидроаэродинамической схеме АЭВ – 250 присутствует не менее двух не имеющих аналогов элементов, которые обеспечивают конкурентноспособность котлов этого типа.

3.2. Бойлер-подогреватель серии ИГРА-10.

Перед авторами была поставлена задача обеспечить нагрев отработанной горячей воды с температурой 342 К для повторного использования, которую обычно возвращают из теплового пункта (ТП) на ТЭЦ.

Конечная температура нагрева – 363 К; максимальный расход воды – 3 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 срочности задания в спроектированном бойлере подогревателе задействованы испытанные парогенераторы марки ИГРА-3/3. Так как в проекте применены системы, не имеющие аналогов, бойлер подогреватель маркирован как первая модель серии ИГРА-10, то есть ИГРА 10/1.

4. Программа работ по изготовлению опытного образца генератора водорода ИГРА -5/1.

Конечной целью творческого студенческого коллектива является создание парогенераторов марки ИГРА 3/3÷3/10 и генераторов водорода марки ИГРА 5/1÷5/10. В случае решения проблемы производства дешевого водорода будет реализовано снабжение потребителей энергией “в розницу”. В проведенной на кафедре “Физика плазмы” НИР установлена возможность получения водорода себестоимостью ниже получаемого в настоящее время. За прошедший год авторами проведены научно-технические проработки ключевых узлов плазменно-электрохимического генератора водорода, позволивших составить программу работ по созданию опытного образца ИГРА 5/1.

Программа

Наименование работ Стоимость,

млн. долларов

1. Разработка и изготовление

плазменно-электрохимического аппарата. 0,2

2. Разработка и изготовление диагностик приборов

для плазменно-электрохимических процессов 0,4

3. Разработка и реализация системы

имитационного моделирования

“вход: водородосодержащее сырье -

- выход: водород заданной стоимости” 0,1

4. Изготовление демонстрационного образца

генератора водорода 0,05

5. Изготовление пилотного образца

генератора водорода производительностью 1÷5 м³ Н₂/час 0,15÷0,25

В качестве иллюстрации к проведенным опытно-конструкторским проработкам на рис. 4 представлены полученные результаты.

5. Дальнейшее развитие.

В случае дальнейшего отсутствия финансирования ОКР планируется проводить по следующим параллельным направлениям.

1. Продолжение увеличения студенческого коллектива и привлечение к сотрудничеству научных организаций по профилям: плазменная электрохимия, физхимии твердого тела, атомно-ядерных процессов, энерго-массообмена.

2. Продолжение опытно-конструкторских проработок последовательно возникающих научно-технических проблем в работах по плазменно-электрохимическому генерированию водяного пара, водорода, тепловой энергии. В настоящее время такой проблемой является анодный электрический разряд в электролите [6].

В случае открытия финансирования направление работ будет согласовано с заказчиком с уведомлением его о том, что по проблеме генерации водорода первоначальное субсидирование работ суммой менее ста тысяч долларов не сможет обеспечить гарантии положительного практического результата, но будет спонсированием продвижения в решении одной из важнейших энергетических проблем современности.

Список литературы

1. Клыков И.Л., Щаврук Н.В. – научные руководители Ю. А. Попов, В.Г. Гришин, - Плазменно-электрохимические генераторы тепловой энергии.// Научная сессия МИФИ-2002. Сб. науч. тр. В 14 т. М.: МИФИ, 2002. Т. 11. С. 62-64.

2. Великородный В.Ю., Гришин В.Г. 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. Бажутов Ю.Н., Гришин В.Г., Носов В.Н. 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. Великодный В.Ю., Гришин В.Г. 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. Гришин В.Г., Давыдов А.Д. 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. Анодный электрический разряд в электролите / Гришин В.Г., Клыков И.Л., Коперник С.В., Щаврук Н.В.//Науч. сессия МИФИ-2003. Сб. науч. тр. В 14 т. М.: МИФИ, 2003. Т. 4