14.1. Анализ процессов нагрева воды

Молекулы воды и её ионы (рис. 204, а) в электролитическом растворе имеют атомы водорода, ядрами которых являются протоны – положительно заряженные частицы. В растворе они ориентируются к катоду 1 (рис. 204, а) и если его рабочая поверхность значительно меньше рабочей поверхности анода, то увеличенная удельная напряжённость электрического поля на катоде увеличивает силу, отделяющую протон атома водорода от иона (рис. 204, а) и он, устремляясь к катоду (рис. 204, b, зона Р-Р), получает из него электрон, формирует атом водорода, который существует в плазменном состоянии в интервале температур 2700….10000 градусов. Так образуется плазма атомарного водорода у катода (рис. 204, b).

Интенсивность этой плазмы зависит от приложенного напряжения и от расхода раствора, омывающего катод. Чем больше приложенное напряжение и больше расход раствора, тем интенсивнее плазма. Она свободно плавит и испаряет вольфрам, температура плавления которого равна 3382С, а температура кипения – 6000С. По мере повышения напряжения (рис. 204, с) увеличивается натяжение ионных кластеров (рис. 204, а). В результате связи между электронами и протонами атомов водорода разрушаются и протоны устремляются к катоду 1 (рис. 204, b).

Рис. 204: а) кластер ионов в электрическом поле; b) схема простейшего плазмоэлектролитического реактора; c) вольтамперная

характеристика особого плазмоэлектролитического реактора

На рис. 204: а) кластер ионов в электрическом поле между анодом А и катодом К: – протон атома водорода в зоне катода; 6 – электрон атома кислорода в зоне анода; b) cхема простейшего плазмоэлектролитического реактора: 1-катод и входной патрубок для раствора, 2-анод, 3 - выпускной патрубок парогазовой смеси, Р – зона плазмы; c) вольтамперная характеристика плазмоэлектролитического реактора: точка 5 соответствует предельному натяжению ионного кластера приложенным электрическим потенциалом, после которого протон отделяется от иона и устремляется к катоду, получает электрон и образует атом водорода.

Вначале в самом растворе вблизи катода появляются отдельные искры. Это указывает на то, что протоны атомов водорода отделяются от ионов и возможно от молекул воды и в процессе движения их к катоду вновь соединяются с электронами, синтезируя новые атомы водорода. Дальнейшее повышение напряжения увеличивает количество протонов, отделившихся от ионов и молекул воды, и у катода формируется плазма атомарного водорода (рис. 204, с, точки 5, 6). Электроны атомов водорода в этот момент находятся в возбужденном состоянии и совершают переходы с высоких энергетических уровней на низкие, генерируя свет бальмеровских спектральных линий. Ион имеет шесть кольцевых электронов атома кислорода (рис. 205, а).

Рис. 205. Схема иона ; b) схема кластера из двух ионов

Остальные его электроны, в том числе и электрон атома водорода со своим протоном расположены вдоль оси иона так, что на одном конце этой оси располагается электрон, а на другом – протон атома водорода. Когда ионы образуют кластеры, то на одном конце оси кластера всегда располагается электрон, а на другом – протон . Так формируется в растворе идеальная электрическая цепь между катодом и анодом (рис. 205, b).

В последних экспериментах испытывались плазмотеплолизёры - новые энергетические устройства, способные работать в режиме плазменного нагрева воды. Такое свойство обусловлено тем, что у плазмотеплолизёра катод и анод размещены в отдельных камерах (рис. 206, а), сообщающихся между собой через диэлектрическую трубку (рис. 206. b).

Плазмотеплолизёр – электротехническое устройство, работающее в плазменном режиме и вырабатывающее тепла значительно больше по энергоёмкости, чем энергоемкость водорода и кислорода, которые также выделяются в этом случае.

В двухкамерном плазмоэлектролизёре процессы электролиза идут не только в зоне катода и анода, но в трубке, соединяющей камеры (рис. 206, b).

а)

b)

Рис. 206: а) двух камерный плазмотеплолизёр (слева - анодная

камера; справа – катодная); b) - трубка, соединяющая анодную и

катодную камеры

Роль контрольного нагревательного элемента в этом эксперименте выполнял ТЭН. Температура теплоносителя двух одинаковых батарей, одна из которых нагревалась ТЭНом, а вторая - плазмотеплолизёром, доводилась до одинаковых показателей (рис. 207). Энергетическая эффективность определялась по показаниям счётчика электроэнергии (табл. 42).

а)

b)

Рис. 207: а) катодная камера плазмотеплолизёра; b) фото батарей,

нагреваемых плазмотеплолизёром (слева) и ТЭНом (справа).

Таблица 42. Показатели плазмотеплолизёра и ТЭНа

Наименование показателя	Плазмотеплолизёр	ТЭН
1. Мощность на входе по приборам и счётчику электроэнергии, Вт	300	650
2. Мощность на входе по осциллограмме, Вт	125	650
3.Температура нагрева батареи, град.	60	60

Конечно, если бы счётчик был универсальный, правильно учитывающий непрерывный и импульсный расход электроэнергии, то реальный расход электроэнергии был бы (табл. 42) в 650/125=5,2 раза меньше, чем при нагревании ТЭНом.

А теперь опишем кратко физхимию процесса синтеза тепла плазмотеплолизёром. В межфазной границе "плазма - раствор" будут протекать одновременно следующие химические реакции:

(405)

и

(406)

Так как перед тем, как начать формировать молекулу водорода, электрон атома водорода должен опуститься со 108-го энергетического уровня на 4-й энергетический уровень, то при образовании одного моля (mol) атомарного водорода выделится энергия (табл. 43).

Таблица 43. Энергии возбуждения и энергии связи

электрона атома водорода с протоном

Энергетические уровни	Энергии возбуждения (eV)	Энергии связи электрона с ядром (eV)
1	-0,000000	13,598000
2	10,198500	3,399500
3	12,087111	1,510889
4	12,748125	0,849875
5	13,054080	0,543920
6	13,220278	0,377722
7	13,320490	0,277510
8	13,385531	0,212469
9	13,430123	0,167876
10	13,462020	0,135980
….	………..	……….

(407)

При температуре ниже 2700 С атомы водорода соединяются в молекулы. Энергия, которая при этом выделяется, как считают химики, равна 436 кДж/моль. При соединении молекулы водорода с атомом кислорода образуется молекула воды с выделением энергии 285,8 кДж/моль. Если отнестись с доверием к приведенным величинам энергии, которая выделяется последовательно при синтезе атомов водорода, молекул водорода и молекул воды, то, учитывая, что в молекуле воды два электрона принадлежат двум атомам водорода и то, что один литр синтезируемой воды имеет 55,56 молей молекул воды, то в этом случае последовательно выделится следующее количество энергии:

; (408)

; (409)

_. (410)

Суммируя полученные результаты, имеем 175332,81 кДж/л. воды. Это - потенциальная энергия, которая может выделиться при описанном последовательном синтезе одного литра воды, если выделяющиеся газы: водород и кислород будут сгорать в зоне плазмы, то количество энергии этого процесса почти в шесть раз больше энергосодержания одного литра бензина (30000 кДж).

Если же часть этих газов будет уходить из зоны плазмы и выделяться в анодной и катодной камерах (рис. 206, а), то величина энергии 175332,81 кДж/л уменьшается. Для её уточнения необходимо измерить объёмы указанных газов, выходящих из анодной и катодной камер в единицу времени.

Масса водорода, полученного из одного литра воды, равна гр. Энергосодержание одного грамма молекулярного водорода равно 142 кДж, а – водорода, полученного из одного литра воды, рано

_{. (411)}

Это почти в два раза меньше энергосодержания одного литра бензина (30000 кДж). Теперь приведем вариант расчета энергии, выделяющейся при плазмотеплолизёрном процессе, когда образующиеся газы: водород и кислород не сгорают в плазме, а выходят в свободное состояние и их надо удалять из анодной и катодной камер. В данном случае при синтезе одного атома водорода выделится энергия (13,598-12,748)=0,85 eV. А при синтезе одного моля атомарного водорода выделится энергия

(412)

Так как в одной молекуле воды два электрона двух атомов водорода, то при синтезе одного литра воды, содержащего 55,06 молей, выделится энергия

(82,0х55,06х2)= 9029,84 кДж/л. (413)

Суммарное количество энергии при синтезе атомов водорода (413) и молекул водорода (410) в катодной камере окажется таким

(15879,05 + 24006,16 )= 39885,2 кДж/л. (414)

Это больше, чем при сжигании одного литра бензина (30000 кДж) или водорода (411), полученного из одного литра воды.

Итак, водородная плазма в катодной камере может генерировать при плазменном электролизе воды в процессе разложения одного литра воды на водород и кислород 39885,20 кДж энергии. Это в (39885,2/30000)=1,33 раза больше энергии, получаемой при сжигании одного литра бензина.

Из описанного следует, чтобы получить дополнительную энергию, необходимо вначале синтезировать атомы водорода, а затем молекулы водорода. Процессы их синтеза и являются главным источником дополнительной тепловой энергии, но при обычном электролизе воды, эта тепловая энергия не генерируется, так как молекулы водорода выделяются из кластеров воды в синтезированном состоянии. Дальше мы детально опишем этот процесс.

При испытании плазмотеплолизёра выявлена причина, уменьшающая расход электроэнергии на плазмотеплолизёрный процесс нагрева воды по показаниям счётчика электроэнергии. Осциллограмма, снятая с клемм плазмотеплолизёра, представлена на рис. 208.

Рис. 208. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах

плазмотеплолизёра (рис. 206 и 208)

Хорошо видно (рис. 208) выпрямленное напряжение , а внизу - маленькие амплитуды хаотически меняющихся импульсов тока (рис. 208). Это - следствие разрыва электрической цепи в плазме атомарного водорода, образующегося в трубке, соединяющей анодно-катодную камеру и в зоне катода. Небольшая величина тока – главная причина уменьшения затрат электроэнергии из сети на процесс работы плазмотеплолизёра, фиксируемых счётчиком электроэнергии.

Модель плазмотеплолизёра состоит из двух камер (рис. 209, а): анодной 1 и катодной 2, которые соединены между собой в нижней части диэлектрической трубкой. Рабочая площадь катода (рис. 208) многократно меньше рабочей площади анода. Это увеличивает плотность тока на поверхности катода и вокруг него возникает плазма атомарного водорода. Температура этой плазмы зависит от плотности раствора и скорости его прохода через катодную зону. Она изменяется в интервале от 2700 до 10000 . Запатентованный отопительный блок представлен на рис. 209.

Рис. 209. Отопительный блок

Плазмотеплолизёр (рис. 209) нагревает раствор воды и подаёт его самотёком в теплообменник 10. Нагретый водный раствор теплообменника нагревает чистую воду и подаёт её по трубе 12 в три стандартные тепловые батареи отопления (13, 14 и 15) с общей площадью теплового излучения более 6 кв. м. (рис. 209). Раствор циркулирует по контуру (рис. 209): 9-10-11-3-9, а чистая вода – по контуру: 12-13-14-15-16-12. Площадь излучения трёх батарей (рис. 210), с учетом гофрированных волн на их поверхностях излучения более 10 кв.м.

Рис. 210. Три батареи отопления, нагреваемые

плазмотеплолизёром

В данном эксперименте тепловой блок проработал непрерывно более 5 часов, потребляя из сети около 1,5 кВтч электроэнергии. Это - около 0,250кВтч/1кв. м. поверхности теплового излучения. Стандартная батарея, нагреваемая ТЭНом, с общей площадью теплового излучения около 1 кв.м. до такой же температуры, забирала из сети 0,700кВтч. Из этого следует, что, по показаниям счётчика электроэнергии, первый вариант плазмотеплолизёра расходует электроэнергии из сети на нагрев 1кв.м площади теплового излучения в 0,700/0,150=4,67 раза меньше, чем существующие электронагревательные элементы.

Самым эффективным оказался не плазменный нагрев воды, а предплазменный, то есть в преплазменном режиме. Он реализуется в условиях, при которых электроны у анода разрывают свои связи (рис. 204, b) в сечении А-А) и восстанавливают их, после излучения фотонов, нагревающих воду. Для этого надо придать кластерам ионов (рис. 204, b) ориентированное положение между анодом и катодом и так оптимизировать их количество в зазоре между катодом и анодом, чтобы плазма отсутствовала. Это достигается изменением зазора между анодной и катодной полостями.

Удалось разработать, испытать и запатентовать ряд конструкций предплазменных ячеек, которые легко можно переводить с плазменного в более эффективный предлазменный режим, когда плазма отсутствует, но может и появиться при изменении регулируемого параметра ячейки. На рис. 211, а - одна из предплазменных ячеек. Нетрудно видеть, что полости катода 3 и анода 4 разделяет регулируемый зазор 9. При уменьшении его величины до 3-5мм плазма на катоде исчезает.

При отсутствии плазмы у анода раствор нагревается за счёт того, что импульсное действие напряжения на кластер ионов (рис. 205, b) разрывает связь между электроном ионного кластера, направленным к аноду и электроном, связанным с ним ковалентно (рис. 205, b). Оказавшись в свободном состоянии с недостатком массы, электрон, оторванный от ионного кластера, восстанавливает свою массу, поглощая эфир и в моменты отсутствия электрического потенциала на клеммах анода и катода вновь вступает в связь с соседним электроном, излучая при этом фотон, который и нагревает раствор в регулированном зазоре (рис. 211, а, - позиция 9). Частота подачи импульсов напряжения от 100 до 300 Гц.

Рис. 211: а) предплазменная ячейка;

b) схема стенда для экспериментальных исследований

В этом случае не удаётся полностью избавиться от процессов выделения водорода и кислорода в зонах катода и анода, но скорость формирования этих газов у своих электродов уменьшается многократно по сравнению со скоростью их выделения при плазменном и обычном электролизах воды.

Ячейки, работающие без плазмы, названы предплазменными, а процесс их работы – предплазменным. Эти понятия введены потому, что ионы воды в этом случае находятся в растянутом, предплазменном состоянии. Малейшее изменение параметров ячеек и параметров процесса, мгновенно переводит их в плазменный режим работы. Электрическая энергия подаётся им в виде импульсов напряжения (рис. 212, а) и тока (рис. 212, b) с большой скважностью импульсов.

Совокупность приборов для регистрации напряжения, тока и мощности на клеммах ячеек, представлены на схеме, на рис. 212, с, а результаты эксперимента – табл. 44.

а) напряжение	b)ток
с) схема

Рис. 212. Осциллограммы и схема для измерения напряжения, тока и мощности на клеммах ячейки

Из приведённых данных следует, что по показаниям вольтметра, амперметра и ваттметра мощность на клеммах ячейки около 10 Ватт, а счётчик электроэнергии показывал 250 Ватт. Почему? Удивительным является то, что вольтметр марки М2004, наивысшего класса точности 0,2 и амперметр марки М20015, тоже наивысшего класса точности 0,2 показывали средние величины напряжения и тока близкие к средним значениям этих параметров, получаемым путём обработки осциллограмм и расчёта их средних значений и по формулам, учитывающим их амплитудные значения , и скважности , .

. (415)

. (416)

Таблица 44. Предплазменный нагрев раствора воды

1-скважность импульсов, S	26,32
2-масса раствора, прошедшего через ячейку, кг.	0,450
3-разность температур раствора , град.	43,67
4-энергия раствора, , кДж	78,40
5-длительность эксперимента , с	300
6-показания вольтметра и осциллографа , В	4,50
7-показания амперметра и осциллографа , А	2,1
8-реализуемая мощность	9,45
9-показания ваттметра, Вт	10,0
8-расход электроэнергии , кДж	2,84
9-эффективность ячейки, %	2760%
Показания электросчётчика	250

Мощность, рассчитанная по средним величинам напряжения и тока, полученным из осциллограмм, равна

. (417)

Ваттметр показывал величину мощности, равную 10Вт, то есть близкую к показаниям вольтметра и амперметра, а счётчик электроэнергии показывал

. (418)

В чём причина различий в показаниях счётчика электроэнергии и ваттметра?

На клеммах счётчика электроэнергии непрерывное напряжение 220В. Оно умножается на примерную среднюю величину импульсного тока и выдаётся результат (418). Меньший результат счётчик не может показать, так как на его клеммах всегда 220 В. Программа ваттметра определяет отдельно среднюю величину напряжения по формуле (415) и среднюю величину тока по формуле (416), перемножает их и выдаёт величину, близкую к той, что получается при расчёте по показаниям вольтметра, амперметра и осциллограммы (417).

В качестве примера высокой энергетической эффективности приводим результаты многократных испытаний предплазменной ячейки, представленной на (рис. 213, а).

а)

b)

Рис. 213. а) предплазменная ячейка (патент № 2457284);

b) осциллограмма импульсов напряжения и тока, подаваемых

на клеммы предплазменной ячейки

На рис. 214, а и b показаны две бытовые батареи отопления с площадью излучения тепла у каждой батареи, равной 1,5 кв. метра. Обе батареи нагревались до 80 град. за 30 мин.

Многократно проведённые эксперименты с участие российских и зарубежных специалистов показали, что cчётчик электроэнергии и приборы, подключённые к батарее, регистрируют мощность (рис. 214, а), равную

. (419)

Приборы на клеммах предплазменных ячеек (рис. 214, b) показали, что величина мощности, реализуемая на их клеммах, равно мощности, следующей из осциллограммы (рис. 213, b), снятой с этих клемм

. (420)

Рис. 214: а) батарея, нагреваемая ТЭНом; b) батарея, нагреваемая 3-мя

предплазменными ячейками (рис. 213, а), Патент № 2457284

Нагревательным элементом первой батареи является ТЭН мощностью 1,0кВт, а второй – три последовательно соединённые предплазменные ячейки (рис. 213, а), которые питались импульсами напряжения, равными 1000В и импульсами тока, равными 150А. Скважность импульсов напряжения и тока была равна (рис. 213, b). Выравнивание скорости нагрева батарей осуществлялось путем регулирования напряжения на клеммах батареи со стандартным нагревательным элементом. За 30 минут поверхность обоих батарей нагревалась до 80 град. Мощность на клеммах батареи с ТЭНом – 875 Вт, а - с предплазменными ячейками – 15 Вт.

Так как счётчики электроэнергии, реализуют свои показания при импульсном потреблении электроэнергии по формуле (415), а реальный расход определяет формула (414), то при скважности импульсов счётчики электроэнергии завышают реальный расход электроэнергии в 100 раз.

Невольно возникает вопрос: в чём принципиальная разница между обычной плазмоэлектролитической ячейкой, предплазменной ячейкой и плазмотеплолизёрной ячейкой? Главное различие между указанными ячейками скрыто в получении энергетического эффекта по показаниям существующего счётчика электроэнергии, не способного правильно учитывать среднюю величину импульсной мощности. Раньше не удавалось получать плазменным способом результаты, учитываемые счётчиком электроэнергии, которые противоречили бы пресловутому «закону сохранения энергии». Теперь и этот барьер позади.

А теперь отметим главное – самым экономным источником питания всех импульсных потребителей электрической энергии является импульсный электромотор-генератор типа МГ (рис. 181 и 184). Главная его особенность в том, что он реализует функции трансформатора при вращении ротора. Это – вращающийся трансформатор, позволяющий генерировать четыре независимых рабочих импульса напряжения и тока простейшим образом, используя диод.