устройство для преобразования энергии, система и метод для сжигания водорода и кислорода

Формула изобретения

1. Устройство преобразования энергии с камерой, системой подачи, оснащенной, как минимум, одним клапаном для последовательной подачи водорода и кислорода в камеру, системой поджигания для поджигания и воспламенения, что приводит к увеличению давления и движению воды в камере,

характеризующееся:

перепускным клапаном, который используется исключительно для спуска воды, образующейся в процессе сгорания, и является единственным выпускным отверстием в камере, таким образом, камера образует закрытую систему; и

энергопринимающими элементами для принятия движения и давления в жидкой среде, которые встроены в камеру.

2. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что энергопринимающие элементы включают в себя поршни, расположенные в цилиндрах, при этом указанные поршни соединяются с блоками, преобразующими механическое движение в электрическую энергию.

3. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что энергопринимающие элементы включают в себя поршни, расположенные в цилиндрах, при этом указанные поршни соединяются с блоками, преобразующими механическое движение в гидравлическое давление.

4. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что система подачи включает в себя, как минимум, два регулируемых клапана для последовательной и раздельной подачи кислорода и водорода соответственно в полость, не содержащую жидкости, и систему поджигания, которая включает в себя блок для последовательного поджигания, регулируемого двумя клапанами.

5. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что дополнительно включает эластичную мембрану, передающую давление и движение между первым и втором участками, заполненными жидкостями.

6. Устройство по п.5, характеризующееся тем, что энергопринимающие элементы включают в себя поршни, расположенные в цилиндрах, при этом поршни соединяются с системой, удерживающей поршни в положении покоя; а также, устройство преобразования энергии имеет характерную частоту движения жидкости, согласованную с последовательностью подачи газа и поджигания.

7. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что камера формируется в практически горизонтальном цилиндре со сферическими концами, при этом большая часть энергопринимающих элементов располагается вдоль такого цилиндра.

8. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что также включает в себя предохранительный клапан, гарантирующий, что давление в камере не будет превышать предварительно установленных значений.

9. Устройство по п.1, характеризующееся тем, что система поджигания включает в себя электроды плазмы, которые подают плазму в поле плазмы высокого напряжения.

10. Способ использования устройства преобразования энергии сжигания водорода и кислорода в камере, оснащенной системой подачи и как минимум одним клапаном для последовательного нагнетания водорода и кислорода в камеру и систему поджигания для воспламенения и инициирования сжигания, направленного на увеличение давления и движение в воде в камере, включающий следующие этапы:

- нагнетание воды в камеру;

- подача водорода и кислорода в преимущественно стехиометрическом соотношении через как минимум один клапан, таким образом что в камере образуется полость, заполненная газом и без жидкости;

- поджигание газа в полости, заполненной газом, при помощи системы поджигания, тем самым формируя увеличение давления и движение воды в камере;

- принятие увеличения давления и движения в воде в камере на энергопринимающие элементы, встроенные в камеру; и

- спуск воды, образующейся в процессе сгорания, при помощи перепускного клапана.

11. Способ по п.10, дополнительно включающий в себя обратную подачу выпускаемой воды на рабочий блок, для расщепления воды на водород и кислород, тем самым образуя полностью герметичную систему.

12. Способ по п.10 или 11, дополнительно включающий в себя подачу любого объема H₂ в камеру, чтобы в камере образовался излишек H₂ для термической изоляции системы поджигания и системы подачи, а также для снижения потери тепла во время расширения.

13. Способ по п.10 или 11, дополнительно включающий мониторинг части H₂, которая не участвует в процессе сгорания; и пополнение H₂ в процессе работы для достижения установленных параметров.

14. Система с устройством преобразования энергии, оснащенным камерой и системой поставки с как минимум одним клапаном, для последовательной подачи водорода и кислорода в камеру, а также системой поджигания для воспламенения и сжигания смеси газов с целью увеличения давления и движения в воде в камере,

характеризуется:

- перепускным клапаном, используемым исключительно для спуска воды, образованной в процессе сгорания, который является единственным выпускным отверстием в камере, благодаря чему камера образует закрытую систему;

- энергополучающими элементами для принятия движения и давления в жидкой среде, которые встроены в камеру;

- указанный перепускной клапан соединяется с рабочим блоком для расщепления воды на водород и углерод, тем самым образуя полностью герметичную схему.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение представляет собой устройство преобразования энергии и систему, работающую за счет сжигания и расширения водорода и кислорода. Расширение формирует движение в объеме жидкости, которое преобразуется в необходимую форму энергии. Кроме того, данное изобретение относится к методу работы устройства преобразования энергии. Такое устройство преобразования энергии работает в закрытой системе, поэтому добавлять жидкость в рабочий блок не представляется необходимым. Следовательно, рабочий блок может работать как механическая топливная батарея. После сжигания и расширения пустота, которая формируется в процессе расширения, может исчезнуть. Такое исчезновение становится причиной резкого падения давления, которое может быть использовано при эксплуатации блока. Рассматриваемый рабочий блок объединяет блок сгорания/реактор и блоки для использования образующейся энергии.

Метод использования углеводорода в качестве топлива хорошо известен в определенных отраслях промышленности. Например, водород используется в стандартных поршневых двигателях, как правило, вместе с атмосферным воздухом. Однако, в таких системах цикл не является закрытым, и устройство преобразования энергии не встраивается в рабочий блок. Как правило, двигатели и электрические генераторы или насосы отдельных устройств друг от друга отделены.

В настоящей заявке WO 2005085614 представлено описание системы генерирования энергии вместе с блоком сгорания и блоком поджигания, главным аккумулятором, гидравлическим ротором, клапаном управления и генератором энергии. Водород, кислород и вода подаются в блок сгорания. Система поджигания зажигает смесь водорода и кислорода в блоке сгорания. Расширение жидкой среды внутри блоков сгорания приводит напрямую к увеличению давления в гидравлической жидкости. Под давлением гидравлическая жидкость внутри камеры сгорания перемещается в главный гидравлический аккумулятор. Гидравлический ротор направляет энергию гидравлической жидкости, находящейся под давлением, на вращение выводного вала.

Устройство преобразования давления согласно настоящему изобретению не выделяет никаких газов. Сгорание и расширение молекул водорода и кислорода приводит к образованию водной фазы в первом также движения, а на втором также - имеет место их исчезновение и снижение давления. Формирующаяся вода вытекает из блока и может быть направлена в любой блок для восстановления водорода и кислорода, тем самым образуя закрытую систему. Расширение с последующим исчезновением газа, заполняющего пустоту, которая образуется в ходе расширения, может быть использовано для создания колебаний давления и движения пластов жидкой среде, рекомендуется использовать воду, что опять-таки может быть преобразовано в другие формы энергии.

Движение и давление могут быть преобразованы в электричество. Выработка энергии в блоке является одним из вариантов изобретения и осуществляется при помощи линейных магнитов, которые перемещаются внутри катушки и генерируют электрический ток. В процессе расширения магнит фиксируется внутри катушки и за счет имплозии/понижения давления вытягивается из катушки. Другими словами, магнит обладает двойным действующим циклом. Рабочий блок защищается при помощи перепускного клапана, устанавливаемого сверху, который может быть переоснащен как предохранительный клапан. В рабочий блок подаются только газы Н₂ и O₂. Вода в обычном виде, в форме водяной пыли, пара или иных формах не должна использоваться в процессе, если был добавлен первоначальный объем. Понижение давления в верхней части блока после сгорания позволяет поршням выдавить воду обратно в верхнюю часть. Первоначально добавленный объем жидкости будет оставаться внутри реактора, поскольку система не принимает любую жидкую среду кроме той, что добавляется в ходе выполнения реакции между 2Н₂ и О₂ для образования 2Н₂O. Таким образом, в процессе реакции не образуются газы, что позволяет избежать оснащения рабочего блока выпускным устройством для отвода газов.

Настоящее изобретение - двигатель или устройство преобразования энергии - является генератором, работающим на водороде и кислороде. Рекомендуется использовать устройство преобразования энергии для выработки электричества, однако, также оно может быть задействовано для закачивания гидравлической жидкости/приведения в движение пневматических устройств, генерирования механического вращательного движения и т.д.

Камера адаптирована таким образом, чтобы можно было включить часть, наполненную жидкой средой, и в некоторых ситуациях - часть без жидкости за счет частичного наполнения камеры такой жидкой средой, тем самым формируя пустоту без жидкости над поверхностью жидкой среды. Система подачи нагнетает водород и кислород на пустоту, не содержащую жидкость. Система поджигания, оснащенная, например, свечой зажигания или плазменной дугой, включена в пустоту, свободную от жидкости, для поджигания и сжигания водорода и кислорода, таким образом формируя изменение давления в этой пустоте, которое распространяется на жидкую среду в камере и заставляет ее двигаться.

Перепускной клапан используется исключительно для спуска воды, образующейся в процессе сгорания, и формирует единственной выпускное отверстие в камере, чтобы она была в основном закрытой системой. Энергопринимающие элементы, улавливающие движение и давление в жидкой среде, встраиваются в камеру. Это означает, например, что такие элементы фиксируются на отверстиях стенки камеры таким образом, чтобы жидкая среда в камере воздействовала на такие энергопринимающие элементы напрямую.

Работа системы поджигания может регулироваться естественной частотой возвратно-поступательного движения, перемещая вес системы. Вес системы представляет собой вес жидкой среды вместе с весом энергопринимающих элементов, например, поршней.

Энергопринимающие элементы улавливают движение жидкой среды, возникающей из-за перепадов давления, и преобразуют такое движение в электрический ток, пневматическое давление, гидравлическое давление или иную энергию, описанную выше.

Такие энергопринимающие элементы позволяют объему камеры меняться за счет колебаний давления в самой камере, и такое изменение объема подает энергию на энергопринимающие элементы.

Энергопринимающие элементы могут, например, включать в себя поршни, устанавливаемых на цилиндрах. Допускается соединение поршней с блоками, преобразующими механическое движение в электрический ток. Как правило, поршни двигают магниты, зафиксированные на катушках таким образом, чтобы такой зафиксированный магнит мог двигаться вперед-назад в катушке и тем самым генерировать электрический ток. Блок управления координирует и управляет процессом генерирования электрического тока катушками.

В качестве дополнительного варианта поршни могут быть соединены с блоками, преобразующими механическое движение в гидравлическое давление, например, с гидравлическими насосами.

Система подачи включает в себя, как минимум, один регулируемый клапан для последовательной подачи кислорода и водорода в пустоту, свободную от водной среды, а система поджигания включает в себя блок последовательного поджигания, соединенного, по меньшей мере, с одним регулируемым клапаном.

Камера может быть соединена с выпускным отверстием при помощи перепускного клапана для спуска воды, которая образуется при сгорании водорода и кислорода.

Между частью камеры, заполненной жидкой средой, и частью, свободной от жидкой среды, может быть установлена эластичная диафрагма, которая, например, снижает образование пара и разделяет фазы жидкой и газообразной среды.

Энергопринимающие элементы могут включать в себя поршни, устанавливаемые на цилиндрах, при этом такие поршни могут соединяться с системой, удерживающей поршни в положении покоя. Такое положение может поддерживаться, например, пружиной, электрическим регулятором или, например, магнитом и катушкой.

Устройство преобразования энергии может иметь естественную частоту движения пластов жидкости, при этом последовательность поставки газа и его поджигания может регулироваться естественной частотой жидкости, находящейся в движении.

Камера может быть сформирована в виде практически горизонтального цилиндра с полусферическими концами, и большая часть энергопринимающих элементов устанавливается вдоль такого цилиндра.

Предохранительный клапан используется для исключения превышения давления в камере предварительно заданных значений.

В качестве жидкой среды можно использовать воды.

Кроме того, изобретение относится к методу эксплуатации устройства преобразования энергии по сжиганию водорода и кислорода в камере, оснащенной системой поставки, как минимум, с одним клапаном. Такой клапан обеспечивает последовательное нагнетание водорода и кислорода в камеру. Система поджигания применяется для воспламенения и поджигания, чтобы создать перепад давления и движение пластов воды в камере.

Указанный метод включает в себя следующие этапы:

нагнетание воды в камеру, подачу водорода и кислорода в стехиометрическом составе через, как минимум, один клапан таким образом, чтобы в камере сформировалась пустота, не содержащая жидкости, поджигание газа в газовой пустоте при помощи системы поджигания, что приводит к увеличению давления и перемещению пластов воды в камере, принятию энергопринимающими элементами повышение давления и движение воды, при этом такие элементы должны быть встроены в камеру, а также включает в себя спуск воды, образовавшейся в процессе сгорания, через перепускной клапан.

Спускаемая вода может нагнетаться обратно в рабочий блок для расщепления на водород и кислород, тем самым образуя полностью закрытый цикл.

Также описываемый метод может включать в себя введение дополнительного объема Н₂ в камеру, чтобы там образовался излишек Н₂ для термической изоляции системы поджигания и системы подачи, а также для уменьшения потерь тепла в процессе расширения.

Определенная часть H₂, не участвующая в сгорании, может регулироваться и использоваться для восстановления необходимого объема и поддержания предварительно заданных рабочих параметров.

Кроме того, изобретение относится к системе, использующей устройство преобразования энергии вместе с камерой, системой подачи и, как минимум, одним клапаном для последовательного закачивания водорода и кислорода в камеру, системы поджигания для воспламенения и сгорания водорода и кислорода, создавая тем самым увеличение давления и движение пластов воды в камере. Также система включает в себя перепускной клапан для спуска воды, образующейся в результате сгорания, который формирует выпускное отверстие в камере в процессе ее работы, которое является единственным, поэтому камера является герметичной системой. Энергопринимающие элементы, предназначенные для принятия движения и давления жидкой среды, встраиваются в камеру. Перепускной клапан может быть соединен с блоком для расщепления воды на водород и кислород, чтобы формировался полностью герметичная система.

Краткое описание прилагаемых чертежей:

фиг.1 - деталировка поперечного сечения верхней части устройства, являющегося объектом изобретения в его первом варианте;

фиг.2 - часть устройства преобразования энергии в соответствии с одним из вариантов изобретения;

фиг.3 - вариант изобретения, демонстрируемый частично в разрезе и в перспективе;

фиг.4 - закрытая системы преобразования энергии согласно настоящему изобретению.

На фиг.1 представлено схематическое изображение изобретения, включающее в себя устройство преобразования энергии, при этом двигатель или генератор 9 изображен вместе с камерой 2, установленной в ее верхней части. Свеча зажигания 1 находится в верхней части камеры 2 со стороны предохранительного клапана. Один штуцер с односторонней подачей 3, использовать который рекомендуется для подачи стехиометрической смеси водорода и кислорода, расположен в камере. Поверхность жидкой среды 10 изображена как область между частью, заполненной жидкостью, и частью, заполненной газом. Энергопринимающие элементы 7 изображены в форме поршней, передвигающих магниты в катушках 5. Свеча зажигания, как правило, является устройством, генерирующим плазменную дугу.

На фиг.2 изображен трансформатор энергии 9 в соответствии с настоящим изобретением, который просматривается с внешней стороны энергопринимающих устройств 7. Также четко видны катушки 5.

На фиг.3 настоящее изобретение дополнительно представлено таким образом, чтобы верхняя часть камеры 2 находится ниже двух электродов 1а и предохранительного клапана 6. Энергопринимающие элементы 7 с поршнями 4 изображены установленными на стороне цилиндрической камеры. Также приведено изображение шести энергопринимающих элементов 7. Электронное устройство управления 8 может регулировать подачу газа, воспламенение, осуществлять мониторинг давления, температуры, уровня жидкой среды, а также может контролировать клапан на предмет спуска жидкости.

На фиг.4 дополнительно представлена система в соответствии с настоящим изобретением, когда камера 2, не содержащая жидкой среды, находится ниже электродов плазмы 1а, которые определяют, что плазма находится в поле высокого напряжения. Прочность и длительность существования поля плазмы контролируется плазменной катушкой 18. Поле формируется между двумя электродами плазмы 1а, которые подключаются к источнику высокого напряжения, и представлено в виде катушки плазмы на рисунке. Катушка плазмы 18 регулируется с помощью устройства управления 19. Уровень напряжения в диапазоне 400000-450000 Вольт подается на электроды плазмы 1а. Плазменная дуга, образуемая между электродами, как правило, начинает формироваться между водородом и кислородом и постепенно скорость ее формирования доходит до 12000 м/сек. Плазменная дуга может быть достаточно устойчивой и иметь способность к воспламенению, будучи погруженной под воду. Электроды плазмы и впускные отверстия для газа специально предназначены для обеспечения полной изоляции электродов.

Реакция между водородом и кислородом обеспечивает увеличения давления в камере 2. В результате такой реакции образуется вода.

После завершения реакции полость, сформировавшаяся в ходе реакции, охлопывается и в камере 2 возникает резкое снижение давления. Уровень давления в камере 2 таким образом будет колебаться между очень высоким и очень низким, значительно меньше атмосферного давления, уровнями. Такие колебания давления будут приводить в движение колонну воды внутри камеры, и камера начнет двигаться вверх и вниз. Рассматриваемая сборка деталей может иметь отдельное впускное отверстие для жидкой среды, например, для воды.

Объем добавляемой воды может составлять примерно половину от общего объема реактора с учетом энергопринимающих элементов 7 при их соответствующем внешнем положении. В результате формируется пустота, не содержащая жидкости, выше поверхности жидкой среды в верхней части рабочего блока, если энергопринимающие элементы 7 не находятся в соответствующей позиции внутри. Жидкая среда нагнетается по направлению вниз во время сгорания и давит на поршни энергосберегающих элементов с внешней стороны.

Энергопринимающие элементы 7 включают в себя поршни 4 со встроенными магнитами, которые могут двигаться прямо и в обратном направлении в цилиндрах, окруженные катушками 5. Однако, энергопринимающие элементы 7 могут проектироваться разными способами, например, с мембранами вместо поршней 7. Необходимо отметить, что такие элементы могут преобразовывать движение пластов воды в полезную энергию.

При помощи клапана 3 регулируемые объемы кислорода и водорода соответственно могут попадать в рабочий блок. Работа клапанов контролируется посредством блока управления 19 и, как правило, клапанами с электромагнитным управлением. Вода, которая образуется в результате реакции между водородом и кислородом, спускается через уравнивающий или перепускной клапан 21. Перепускной клапан 21 также могут регулироваться посредством блока управления. В качестве перепускного клапана допускается использование электромагнитного клапана. Основной характеристикой перепускного клапана 21 является обеспечение выталкивание излишков воды, скопившихся в камере, при помощи установленных поршней. Вода, проходящая через перепускной клапан 21, может перемещаться обратно в блок преобразования, где она снова будет расщеплена на водород и кислород в первой обратной линии 13, соединенной с насосом возврата жидкой среды 14, а также во второй обратной линии 15. Допускается нагнетание большего объема водорода по сравнению с кислородом в камеру 2 таким образом, чтобы в камере всегда был излишек водорода. В процессе сжигания будет сгорать только стехиометрический объем водорода и кислорода, следовательно, теоретически следует добавить только стехиометрический объем водорода и кислорода в реакцию, протекающую на каждом шаге, при подаче дополнительного объема водорода. Дополнительный объем водорода будет размещен в верхней части камеры и будет использоваться в качестве изолирующего слоя. Таким образом, большая часть тепла будет опускаться вниз и принимать участие в расширении. В тоже время меньший объем тепла будет нагнетаться вниз, и верхняя часть камеры вместе с электродами для плазменной дуги и впускных клапанов будут подвергаться воздействию тепла в значительно меньшем объеме. Объем водорода, который был введен дополнительно, может контролироваться посредством блока управления 18 на основании измеренных параметров или экспериментальных данных. Например, контроль над объемом может выполняться в зависимости от температуры в камере и на участке вокруг компонентов, подвергающихся воздействию, которые расположены выше. В качестве альтернативного варианта допускается использование другого инертного изолирующего газа. Дополнительный объем газа нагнетается через клапан для водорода 3, через который также подается водород в камеру сгорания, или через отдельный клапан.

Весь рабочий блок также может охлаждаться по мере необходимости, например, при помощи потоков воздуха или воды, подаваемых снаружи камеры по катушке трубы для охлаждения, расположенной внутри камеры, за счет циркуляции воды в камере по блоку охлаждения и т.д. Процесс охлаждения можно контролировать при помощи обычных термостатов блока управления и т.д.

Устройство преобразования соединяется к резервуарам для хранения 11 и 12, чтобы водород и кислород можно было нагнетать с соблюдением всех установленных мер предосторожности. Таким образом, весь рабочий блок проектируется как закрытая система без подачи жидкой среды/воды. Вода в камере 2 также формирует закрытую систему и не участвует в обмене вместе с циркуляцией, которая образуется в результате осуществления реакции образования воды между кислородом и водородом. Блок разделение представлен на рисунке как электролизер 17.

Поршни 4 с зафиксированными магнитами находятся внутри цилиндра, который с одного конца соприкасается с жидкой средой в камере 2, а другим концом - с окружающей атмосферой. В качестве альтернативного варианта другой конец цилиндра может соприкасаться с источником газа по трубе 20 для управления или уменьшения такта поршней 4. Поршни 4 могут приводиться в движение в направление камеры 2 за счет атмосферного давления, при помощи пружин, магнитного поля или иного воздействия либо устройств, которые могут прилагать силу на поршень в прямом и обратном направлении к камере 2.

Если трубы 20 соединяются с соответствующими клапанами (не показаны), которые могут использоваться для нагнетания жидкой среды вместе с генерированием энергии или автономно. В таком случае энергопринимающие элементы 7 включат в себя устройства для обеспечения возврата поршней 4, например, пружины (не показаны).

Поршни также могут соединяться механическим образом с устройствами по передачи силы на поворотный вал.

Предохранительный клапан 6 можно устанавливать внутри камеры 2 для исключения превышения давления в камере над предварительно установленном уровне.

При запуске устройства преобразования энергии поршни 4 переводятся во внутреннее положение относительно камеры 2. Такое положение считается внутренним для поршней, при этом обеспечивается полное заполнение камеры водой. Такая ситуация может иметь место, например, когда жидкая среда отсасывается через верхнюю часть камеры 2 таким образом, что поршни втягиваются и камера заполняется водой. Такое уменьшение давления в камере может быть необходимо для вытеснения газов и примесей, растворенных в воде. Не рекомендуется при проведении реакции использовать другие вещества, помимо водорода, кислорода и воды.

В качестве альтернативного варианта внутренняя позиция для поршней 4 может соответствовать камере, заполненной смесью воды и изолирующего газа, желательно водорода.

Внутреннее положение поршней также может контролироваться во время их работы посредством объема воды, который может переместиться через перепускной клапан 21, и добавленного объема изолирующего водорода.

В камере допускается наличие только чистой воды и, возможно, изолирующего газа. Преимуществом закрытой системы является возможность управления рабочей средой без загрязнения воды. Посторонние примеси в воде могут оказать отрицательное влияние на все систему - сгорание/реакцию, а также после сгорания, если рекомендуется, чтобы давление в системе понижалось до минимального уровня очень быстро. Посторонние примеси могут также иметь недостатки, связанные с возникновением коррозии и износа. В качестве дополнительного варианта допускается установка мембраны в камеру, которая будет разделять две жидкие среды. В качестве одной жидкой среды в обязательном порядке должна использоваться чистая вода, образованная в результате осуществления реакции/сжигания водорода и кислорода.

Электронный блок управления может включать датчики, контролирующие давление, температуру, положение поршней и т.д. и на основании данных, полученных в ходе измерений, контролировать процесс нагнетания газа и поджигание плазменной дуги. Все пояснения, относящиеся к рабочему устройство, представлены на фиг.4 и также могут быть отнесены к другим рисункам, а устройство, изображенного на фиг.4, конечно, можно использовать без устройства генерирования и переработки водорода и кислорода из воды. В таком случае допускается опускание воды через дренажное устройство в окружающую среду.

Сама камера спроектирована в форме горизонтального или вертикального цилиндра с сферическими концами, при этом на стенке такого цилиндра устанавливаются блоки для получения энергии.