ИСТОЧНИКИ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

10.03.04.

ИСТОЧНИКИ ГЛОБАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Ф.М. Канарёв

E-mail: kanphil@mail.kuban.ru

ВВЕДЕНИЕ

Проблемы Глобальной энергии обсуждаются давно и хорошо известны. Первая из них – исчерпаемость природных энергоносителей: нефти, газа, угля. Вторая – экологическая безопасность энергоносителей. Общепризнано, что решение вопросов, связанных с совокупностью этих двух проблем носит глобальный характер. Отсюда и следуют результаты научных исследований, которые относятся к Глобальной (чистой) энергии. Это, в первую очередь, научные исследования, в результате которых появляется возможность использовать неисчерпаемые и экологически чистые энергоносители.

В последние годы опубликовано большое количество экспериментальных данных о получении избыточного тепла в различных технологических процессах. Наиболее вероятным источником этого тепла является энергия физического вакуума, поглощаемая дестабилизированными валентными электронами и излучаемая в виде фотонов.

В России уже несколько фирм «Юсмар», «Термовихрь», «Нотека» и др. продают кавитационное водонагревательное оборудование с показателем энергетической эффективности до 150%. Официальная наука на эту деятельность смотрит косо, так как такие результаты противоречат одному из основных законов физики – закону сохранения энергии. Но рыночная выгода оказывается сильнее этого закона.

Между тем инженерной практикой уже доказано, что в вентиляционных системах и в системах кавитации воды генерируется дополнительная энергия в виде тепла. Глубокий научный анализ этой проблемы показывает, что наиболее вероятным источником дополнительной энергии в системах вентиляции и кавитации воды является физический вакуум. Энергию из него забирают валентные электроны разрушенных ионов и молекул, и выделяют её при их повторном синтезе.

Почему дополнительная энергия генерируется в воздушных системах вентиляции и в системах кавитации воды? Потому, что это – механические системы, а на механическое разрушение химических связей ионов и молекул требуется в два раза меньше энергии, чем на термическое разрушение этих связей. Это главная причина, в силу которой не удается повысить показатель энергетической эффективности одноступенчатых кавитационных процессов выше 200%.

Конечно, повышение эффективности энергетического процесса на 30-50% - хороший результат, и если он имеется, то можно получить и лучший. А что если разрушать ионы и молекулы воды не механическим путем, а электродинамическим? В этом случае появляется возможность найти резонансные частоты воздействия на ионы и молекулы, и таким образом значительно уменьшить затраты электрической энергии на их разрушение. Последующий синтез разрушенных молекул неминуемо выделит положенное количество энергии. Простая идея и она уже реализована.

 

Первая краткая теоретическая часть

Проанализируем работоспособность резонансной гипотезы, согласно которой резонансное разрушение химических связей в молекулах воды и её ионах значительно уменьшает затраты энергии на этот процесс, а последующий синтез этих молекул и ионов генерирует дополнительную тепловую энергию.

Анализ показывает, что главным генератором тепла является ион (рис. 1). С увеличением температуры расстояние между протоном и электроном , а также между электроном атома водорода электроном 1 атома кислорода увеличивается. Причем, поскольку это увеличение идет за счет фотонов, поглощаемых электронами, то этот процесс становится пульсирующим. Частота этих пульсаций зависит от скорости увеличения температуры раствора и в целом является небольшой. Импульсы тока, которые подаются к электродам, ориентируют ион так, что протон атома водорода ориентируется к катоду, а электрон 2 атома кислорода – к аноду. В результате импульсы оказываются направленными вдоль оси иона. Вдоль этой же оси совершают энергетические переходы и электроны. Как видно, от иона можно отделить протон атома водорода или весь атом (протон с электроном ). В результате останется атом кислорода. После отделения только протона он немедленно устремится к катоду, получит электрон, образует атом водорода.

При высокой плотности тока на поверхности катода совокупность образующихся атомов водорода неминуемо сформирует плазму. Это очень неустойчивый и нежелательный в данном случае процесс. А что если отделение атома водорода организовать не в зоне катода, а в межэлектродном пространстве?

 

 

Рис. 1. Схема иона гидроксила в электрическом поле

 

Если воздействовать на ион такими импульсами, чтобы отделялись атомы водорода, то, после резонансного отделения электрона 1 атома кислорода от электрона атома водорода, они окажутся в состоянии с недостатком энергии (электромагнитной массы), соответствующей энергии связи. Где они возьмут её? Только из окружающей среды. А если в окружающей среде нет необходимых для этого фотонов? Источник один – физический вакуум. Поглотив необходимое количество энергии из физического вакуума (субстанцию физического вакуума), электроны 1 и оказываются в состоянии вновь вступить в связь. У них две явные возможности: вновь соединиться и образовать только что разрушенный ион или же соединиться с электронами соседних атомов водорода и кислорода, и образовать их молекулы. Оба эти процесса экзотермические. Процессы синтеза ионов , молекул водорода и кислорода будут сопровождаться излучением фотонов. Энергия этих фотонов зависит от энергетических уровней, на которых были валентные электроны перед электродинамическим разрывом их связи. При оптимальном сочетании всех параметров - это невидимые инфракрасные фотоны, которые и нагревают раствор. Малейшее нарушение оптимальности сочетания параметров процесса немедленно нарушает процесс разрушения и синтеза ионов . В результате начинает формироваться плазма атомарного водорода и энергетический эффект исчезает.

Первая экспериментальная часть

 

Измерения проводились с использованием лабораторной модели наиболее эффективной ячейки водоэлектрического генератора тепла (рис. 2). Схема экспериментальной установки показана на рис. 3.

Рис. 2. Ячейка водоэлектрического генератора тепла

 

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 - ёмкость для раствора; 2 - термометр; 3 – электронные весы; 4 – канал подачи раствора; 5 – ротаметр; 6 – регулятор подачи раствора; 7 – ячейка водоэлектрического генератора тепла; 8 – термометр; 9 - слив нагретого раствора; 10 – приемная ёмкость

 

Напряжение и ток, на входе в ячейку водоэлектрического генератора тепла определялись двумя комплексами приборов: вольтметром М2004, класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-78); амперметром М20015, класса точности 0,2 (ГОСТ 8711-60) и электронным осциллографом АСК-2022.

Для уменьшения потерь тепла, которые не учитывались в эксперименте, разность температуры раствора до нагрева его в ячейке и после нагрева поддерживалась небольшой . Схема подключения измерительных приборов показана на рис. 4.

 

 

Рис. 4. Схема подсоединения измерительной аппаратуры: 1-ячейка генератора тепла;

2-генератор импульсов; 3-осциллограф АСК-2022; 4-мост сопротивлений Р33

 

Осциллограммы напряжения показаны на рис. 5, 6 и 7, а тока – на осциллограмме 8.

 

Рис. 5. Напряжение	Рис. 6. Напряжение
Рис. 7. Импульс напряжения в мкс диапазоне	Рис. 8. Ток

 

Масштаб импульсов равен 10. Средняя амплитуда напряжения (рис. 5, 6 и 7):

Uа_ср = (29+31+8+33+32+40+40)x10/7 = 304,3 В. Величина тока определялась как падение напряжения на резисторе с сопротивлением 0,1 Ом. С учётом этого средняя амплитуда тока (рис. 8) равна Iа_ср = (1,7+0,8+1,7+2,1) x 0,2x10/(4x0,1) = 31,5 А. Период следования импульсов Т = 7,25 ms.

Длительность импульсов определялась по осциллограмме в микросекундном диапазоне (рис. 7). При этом форма импульса приводилась к треугольной форме так, чтобы площадь треугольника примерно равнялась площади, описываемой сложной формой кривой импульса. В этом случае длительность импульса равна примерно t_и =0,14 мс. Частота импульсов f = 1000/7,25 = 137,9 Гц. Скважность импульсов S =7,25/0,14=51,78 . Принимая треугольную (0,5) форму импульса, получим значение коэффициента заполнения Z=0,5/51,78=0,01. Среднее значение напряжения импульсов U_cр = 304,3 х 0,01 = 3,04 В. Среднее значение тока в импульсах I_ср = 0,01 х 31,5 = 0,32 А.

Средние значения напряжения и тока можно определить, как величины напряжения и тока, соответствующие одной секунде. Тогда, учитывая треугольную форму импульсов (0,5), длительность одного импульса (0,00014 с) и частоту импульсов (137,9), имеем

U_cр =304,3х0,5х0,00014х137,9=2,94 В, I_ср = 31,5,0х0,5х0,00014х137,9 = 0,30 А.

Результаты эксперимента представлены в табл. 1.

 

 

Таблица 1

Показатели				Сред.
1-масса раствора, прошедшего через ячейку , кг.	0,600	0,624	0,600	0,608
2-температура раствора на входе в ячейку , град.	21,0	21,0	21,0	21,0
3-температура раствора на выходе из ячейки , град.	41,0	41,0	41,0	41,0
4-разность температур раствора , град.	20,0	20,0	20,0	20,0
5-длительность эксперимента, с	300,0	300,0	300,0	300,0
6-показания вольтметра , В	5,0	5,0	5,0	5,0
6’- показания осциллографа , В	3,04	3,04	3,04	3,04
7-показания амперметра , А	0,60	0,60	0,60	0,60
7’- показания осциллографа , А	0,32	0,32	0,32	0,32
8-расход электроэнергии по показаниям вольтметра и амперметра , кДж	0,90	0,90	0,90	0,90
8’-расход электроэнергии по показаниям осциллографа, кДж	0,29	0,29	0,29	0,29
9-энергия нагретого раствора, , кДж	36,48	37,94	36,48	36,97
10-показатель эффективности ячейки по показаниям вольтметра и амперметра	40,53	42,15	40,53	41,07
10-показатель эффективности ячейки по показаниям осциллографа	125,8	130,8	125,8	127,5

 

Известно, что определение величин напряжения и тока в электрических цепях со сложными электрическими импульсами с помощью осциллографа считается самым надежным.

Вторая краткая теоретическая часть

Низковольтный процесс электролиза воды известен со времен Фарадея. Он широко используется в современной промышленности. Рабочим напряжением между анодом и катодом электролизера является напряжение 1,6-2,3 Вольта, а сила тока достигает десятков и сотен ампер. В соответствии с законом Фарадея, затраты энергии на получение одного кубического метра водорода в этом случае составляют около 4 кВтч/.

В последние годы растёт интерес к водородной энергетике. Объясняется это тем, что водород является неисчерпаемым и экологически чистым энергоносителем. Однако реализация этих качеств сдерживается большими затратами энергии на получение его из воды. Проблему уменьшения затрат энергии на получение водорода из воды решают многие лаборатории мира, но существенных результатов нет. Между тем в Природе существует экономный процесс разложения молекул воды на водород и кислород. Протекает он при фотосинтезе. При этом атомы водорода отделяются от молекул воды и используются в качестве соединительных звеньев при формировании органических молекул, а кислород уходит в атмосферу.

Известно, что при фотосинтезе поглощается углекислый газ . Считается, что углерод молекулы идет на построение клеток растений, а кислородвыделяется. Теперь у нас есть основания усомниться в этом и предположить, что молекула целиком используется на построение клеток растений. Кислород же выделяют молекулы воды, а атомы водорода молекул воды используются в качестве соединительных звеньев молекул, из которых строятся клетки растений.

Возникает вопрос: а нельзя ли смоделировать электролитический процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе?

Анализ структуры молекулы воды (рис. 9), разработанной нами, показывает возможность электролиза воды при минимальном токе и даже без него. Протоны атомов водорода в молекулах воды могут соединяться между собой и образовывать кластеры. В результате в цепи кластера образуется молекула ортоводорода (рис. 10). Возникает вопрос: а нельзя ли выделить эту молекулу из такого кластера?

 

Рис. 9. Схема молекулы воды: 1,2,3,4,5,6,7,8 - номера электронов атома кислорода;

- ядра атомов водорода (протоны); и - номера электронов атомов водорода

 

 

Рис. 10. Схема образования ортоводорода:

а) и b) схемы молекул воды; с) ортоводород

 

Рис. 11. Схема процесса низкоамперного электролиза

 

На рис. 11 показан анод слева, а катод справа. Протон Р атома водорода в молекуле воды ориентирован к катоду, а другой протон этой молекулы соединяется с протоном иона (слева). В результате образуется кластерная цепочка, справой стороны которой расположена молекула воды , слева - ион (рис. 11, а), а в центре - молекула ортоводорода (рис. 11, а, b).

Таким образом, в электролитическом растворе под действием электростатического поля формируются сложные кластерные цепочки со строгой ориентацией между анодом и катодом.

Обратим внимание на то, что осевой электрон атома кислорода и шесть кольцевых электронов иона притягиваются к аноду одновременно (см. рис. 1 и 11 слева). Электростатические силы, притягивающие шесть кольцевых электронов к аноду, деформируют электростатическое поле так, что осевой электрон приближается к ядру атома кислорода, а шесть кольцевых электронов удаляются от ядра атома. В этом случае энергии связи между протонами и электронами в сформировавшейся таким образом молекуле водорода распределяются так, что энергия связи между атомами водорода в его молекуле увеличивается до 4,53 eV, а между электронами атомов кислорода в ионах и электронами атомов водорода становятся равными нулю и молекула водорода выделяется из кластерной цепочки. Два атома кислорода образуют его молекулу, и она также выделяется. Конечно, это упрощенная схема. При более сложном процессе возможно формирование молекул перекиси водорода перед образованием молекулы кислорода. Именно к этому приводит малейшее нарушение оптимального сочетания параметров процесса электролиза. В результате вместе с газами начинает формироваться пена.

Вторая экспериментальная часть

Поиск условий моделирования процесса разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе привел к простой конструкции ячейки (рис. 12). Оказалось, что процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и силе тока 0,02 А. Поэтому этот процесс назван низкоамперным.

Прежде всего,отметим, что материал анода и катода один – сталь. Что исключает возможность формирования гальванического элемента. Тем не менее, на электродах ячейки появляется разность потенциалов около 0,1В при полном отсутствии электролитического раствора в ней. После заливки раствора разность потенциалов увеличивается. При этом положительный знак заряда всегда появляется на верхнем электроде, а отрицательный – на нижнем. Если источник постоянного тока генерирует импульсы, то выход газов увеличивается.

Отметим особо важный момент. Зазор между электродами низковольтного электролиза соизмерим с размером пузырей газа, поэтому, поднимаясь вверх, пузыри газа способствуют механическому разрушению связей между атомами в молекулах и кластерах. На это, как мы уже показали, энергии тратится меньше, чем на термическое разрушение этих связей. Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен (табл. 2).

Процесс генерирования газов легко наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети. Конечно, после отключения электролизера от сети, интенсивность выхода газов уменьшается, но не прекращается в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах.

Выделение газов после отключения электролизера от сети в течение длительного времени доказывает тот факт, что формирование молекул кислорода и водорода идет без электронов, испускаемых катодом, то есть за счет электронов самой молекулы воды.

Поскольку лабораторная модель ячейки низкоамперного электролизёра генерирует небольшое количество газов, то самым надёжным методом определения их количества является метод определения изменения массы раствора за время опыта и последующего расчета выделившегося водорода и кислорода.

Известно, что грамм-атом численно равен атомной массе вещества, а грамм-молекула – молекулярной массе вещества. Например, грамм-молекула водорода в молекуле воды равна двум граммам, а грамм-атом атома кислорода – 16 граммам. Грамм-молекула воды равна 18 граммам. Так как масса водорода в молекуле воды составляет 2х100/18=11,11%, а масса кислорода – 16х100/18=88,89%, то это же соотношение водорода и кислорода содержится в одном литре воды. Это означает, что в 1000 граммах воды содержится 111,11 грамм водорода и 888,89 грамм кислорода.

Один литр водорода весит 0,09 гр., а один литр кислорода -1,47 гр. Это означает, что из одного литра воды можно получить 111,11/0,09=1234,44 литра водорода и 888,89/1,47=604,69 литра кислорода. Из этого следует, что один грамм воды содержит 1,23 литра водорода [1].

Затраты электроэнергии на получение 1000 литров водорода сейчас составляют 4 кВтч, а на один литр – 4 Втч. Поскольку из одного грамма воды можно получить 1,234 литра водорода, то на получение водорода из одного грамма воды сейчас расходуется 1,234х4=4,94 Втч.

 

Инструменты и оборудование, использованные при эксперименте

      Рис. 12. Низкоамперный электролизер       На рис. 13-18 показаны осциллограммы напряжения и тока на входе в электролизёр Рис. 13. Напряжение …

Результаты обработки осциллограмм напряжения (рис. 16 и 17).

Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, найдём среднее значение амплитуды импульсов напряжения

=[(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+ 0,24+0,30)/11] x10=2,05 В.

Период импульсов Т=(24х2)/10=4,8 мс.

Длительность импульсов =(2х1,45)/10=0,29мс.

Частота импульсов =(1/0,001x4,8)=208,3 Гц.

Скважность импульсов =4,8/0,29=16,55.

Коэффициент заполнения =0,5/16,55=0,0302

Эквивалентная средняя составляющая импульсов напряжения, рассчитанная по показаниям осциллографа =2,05х0,0302=0,062 В. Вольтметр в это время показывал 11,4 В.

Таким образом, есть основания полагать, что низкоамперный электролизёр обладает свойствами конденсатора и источника электричества одновременно. Зарядившись в начале, он постепенно разряжается под действием электролитических процессов, протекающих в нём. Количество генерируемой им электрической энергии оказывается недостаточным, чтобы поддерживать процесс электролиза, и он постепенно разряжается. Если его подзаряжать импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза -стабильным.

Величина потенциала необходимого для компенсации разрядки электролизёра зафиксирована на осциллограммах 16 и 17. Эту величину и надо использовать при расчете затрат энергии на получение водорода из воды при её низкоамперном электролизе.

Итак, по показаниям вольтметра и амперметра мощность источника питания лабораторной модели низкоамперного электролизёра составляет Однако, анализ осциллограмм показывает, что эта мощность необходима только для запуска электролизера в работу. После запуска, когда он зарядится, мощность для его подзарядки составляет , то есть в 190 раз меньше (табл. 2).

Наличие постоянной составляющей электрического потенциала на входе в электролизёр показывает, что для расчета затрат энергии на процесс электролиза надо использовать не показания вольтметра, а показания осциллографа, регистрирующие потенциал подзарядки электролизёра, следующий из осциллограмм, представленных на рис. 15 и 16.

 

Рис. 18. Ток

Рис. 19. Ток

 

На рис. 18 и 19 показаны осциллограммы тока, когда источник питания электролизёра генерировал импульсы с частотой около 200Гц.

Результаты обработки осциллограмм тока (рис. 18 и 19).

Учитывая масштабный коэффициент, равный 10, и сопротивление резистора 0,1 Ом, найдём среднее значение амплитуды импульсов тока.

={[(9,0+7,0+2,0+11,5 +6,0+8,5+3,5+9,0+2,5+6,5)/10]x10}/0,1=655мА =0,655 А.

Средний ток в цепи питания электролизёра =0,655х0,0302=0,01978А=0,02А. Показания амперметра – 0,02А.

Таблица 2

Показатели процесса низкоамперного электролиза воды

Примечание: в этом эксперименте не записывались осциллограммы импульсов напряжения в микросекундном диапазоне. Есть все основания полагать, что… Таким образом, вольтметр показывает величину напряжения заряженного…  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Найдена технология преобразования электрической энергии в тепловую энергию с показателем энергетической эффективности более 100.

Получены убедительные теоретические и экспериментальные доказательства существования технологии уменьшающей затраты энергии на получение водорода из воды в 1000 и более раз. Такое уменьшение затрат энергии на получение водорода из воды даёт веские основания полагать, что низкоамперный электролиз воды аналогичен её электролизу, протекающему при фотосинтезе.

Путь перехода на экономную и экологически чистую энергетику открыт. Но он будет не легким. Впереди большой объём работ по оптимизации параметров генераторов глобальной энергии.

Благодарность. Автор выражает благодарность кандидату технических наук А.И. Тлишеву за изготовление низкоамперных генераторов водорода и водоэлектрических генераторов тепла и участие в их испытании.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Четвёртое издание. 2004. 370 стр. http://Kanarev.innoplaza.net

2. Kanarev Ph.M. The Foundations of Physchemistry of Micro World. The Fourth Edition. 2004 (in English). http://Kanarev.innoplaza.net

3. Канарёв Ф.М. Прогноз эволюции фундаментальных физических исследований. 2004. 160 стр. http://Kanarev.innoplaza.net Book 2.

4. Канарёв Ф.М. Анализ процесса измерения энергии, потребляемой водоэлектрическим генератором тепла. http://Kanarev.innoplaza.net Russian. Article 23.