Получение энергии в энергетических агрегатах путем сгорания топлива  возможно при условии разложения топлива и окислителя  на составляющие. В зависимости от физических свойств веществ, участвующих в процессе горения, для каждого вида топлива разработаны и существуют определенные типы энергетических агрегатов. Затраты энергии, для осуществления процесса горения топлива и окислителя, всегда меньше, чем получается или извлекается дополнительная энергия в результате превращения топлива и окислителя в продукты сгорания.

Наиболее эффективным и экологически чистым является водородное топливо, теплотворная способность которого в 3,5 раз превышает теплотворную способность углеродного топлива. При сгорании водорода и кислорода, взятых при нормальных физических условиях, выделяется дополнительная химическая или тепловая энергия в количестве 573 кДж/моль. Водород в кислороде при соотношении 2:1 самовоспламеняется при нагреве до температуры 450^оС и в воздухе водород самовоспламеняется при температуре 500^оС.

Существующие способы получения энергии путем сжигания воды или водорода в энергетических агрегатах предусматривают различные способы разложения воды на водород и кислород с последующим сжиганием водорода или подачу воды вместе с топливом в камеру сгорания агрегата.

Государственным хозрасчетным предприятием «Сертификационный испытательный центр отопительного оборудования» подтверждена возможность использования воды, при сжигании отходов древесины, в качестве альтернативного источника энергии. В процессе испытания утилизационной печи СУП – ВТ –М, изготовленной ООО «Сиона» и ЧП Файдюком Л.А.,  согласно протокола испытаний № 14/05 ВПчТ от 09.02.05г. установлено, что в процессе сжигания отходов деревообработки составляющей 31% сухой массы и 69% воды от веса подаваемого в печь топлива К.П.Д. по прямому балансу (по отношению к теплоте сухой массы топлива) составил 137,3%, К.П.Д. по прямому балансу (по отношению к реальной теплоте сгорания топлива) составил 196,6%  и К.П.Д. по прямому балансу эффективности сжигания, которая отнесена к сухой массе ( без учета К.П.Д. печи) составил 167,4% . При этом К.П.Д. печи при обратном балансе составил 94,1%.

Не смотря на возможность непосредственного сжигания воды в энергетических агрегатах, известные способы, при которых вода в жидком состоянии подается вместе с топливом в топку котла или в цилиндр двигателя, не обеспечивают существенного снижения расхода топлива. Это вызвано тем, что для разложения воды на водород и кислород термическим путем необходимо затратить энергию 916,5 кДж/моль, что более чем в два раза превышает энергию необходимую для разложения молекул топлива на составляющие.  Большие затраты энергии, необходимые для фазового перехода молекул воды из жидкого в газообразное состояние с последующим разложением молекул водяного пара на водород и кислород, вызывают ухудшение процессов горения. Молекулы воды не успевают, за короткий промежуток времени, совершить переход из жидкого в газообразное состояние и разложится на горючие и окислительные вещества, а также эффективно вступить в реакцию горения с выделением дополнительной химической энергии.

С целью снижения затрат энергии для разложения воды на водород и кислород и повышения эффективности использования воды, как альтернативного источника энергии, авторами технологии предложено использовать остаточную тепловую или внутреннюю энергию отработанных газов или продуктов сгорания для последующего их разложения на горючие и окислительные элементы. Продукты сгорания или отработанные газы после выполнения полезной работы с остаточной тепловой энергией не выбрасываются в окружающую среду.  Они подаются в энергетический агрегат и сжигаются. Иным образом вред, который образовывается при сгорании топлива и окислителя в энергетическом агрегате превращается на пользу  - восстанавливаемое, вторичное топливо и окислитель.

Возможность использования продуктов сгорания, например, водяного пара в качестве альтернативного источника энергии обусловлена физическими свойствами водяного пара, а именно разложение водяного пара на водород и кислород осуществляется при поглощении или подводе внешней энергии в количестве 432,5 кДж/моль (при нормальных условиях: давление 760 мм.рт.ст, температура 0^оС и внутренней энергии равной 0), что соответствует энергии необходимой для разложения молекул природного газа на составляющие 432+10 кДж/моль и меньше, чем энергия разложения молекул кислорода 491,1кДж/моль и молекул азота 712,6кДж/моль содержащихся в атмосферном воздухе. Использование водяного пара с остаточной тепловой или внутренней энергией, в качестве альтернативного источника энергии, в соответствии с законом сохранения энергии снижает расходы внешней энергии для превращения водяного пара на горючие и окислительные элементы.

Авторами технологии совместно с учеными Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры Андрейченко В.И. и Карасевым Г.Г. проведены испытания по определению возможности сжигания водяного пара. В процессе испытаний (фото 1) установлено, что при подаче водяного пара в зону горения природного газа температура пламени зависит от количества водяного пара. При максимально возможной подаче пара, которая была достигнута в процессе проведения эксперимента, температура пламени повышалась от 700^оС до 1000^оС.

При нагревании любого вещества до определенного значения температуры внутренняя энергия сложных молекул, например, водяного пара становится выше или больше внутренней энергии ее составных элементов, поэтому такие молекулы или такая система распадается на составные элементы.  

Фото.1

Процесс горения водяного пара нагретого до температуры 700^оС поясняется с помощью изменения величины внутренней энергии молекул водяного пара. Внутренняя энергия смеси состоящей из водорода и кислорода в соотношении 2:1 при температуре самовоспламенения водорода в кислороде 450^оС равна 2315 ккал/кмоль. При температуре самовоспламенения водорода в кислороде внутренняя энергия молекул водяного пара равна 2910 ккал/кмоль. В результате нагрева молекул водяного пара до 700^оС его внутренняя энергия равна 4761 ккал/кмоль и в два раза превышает внутреннюю энергию смеси состоящей из водорода и кислорода при температуре самовоспламенения водорода в кислороде, при этом энергия диссоциации молекул водяного пара ниже, чем энергия диссоциации молекул кислорода.

Продукты сгорания или отработанные газы по своим термодинамическим характеристикам (внутренняя энергия и энергия диссоциации) являются более совершенным видом топлива и окислителя, чем традиционные виды топлива и воздух. Отработанные газы потребляют меньше затрат энергии для разложения на составляющие, чем традиционные виды топлива и воздух для осуществления процесса горения. Возможность использования продуктов реакции горения как  альтернативного источника энергии существует с момента существования топлива и окислителя. Применение продуктов сгорания в качестве альтернативного источника энергии, основанное на их физических свойствах, исключает необходимость выброса отработанных газов в окружающую среду. Тем самым исключается необходимость потребления традиционных видов топлива и воздуха для производства энергии. Перевод энергетических агрегатов на замкнутый цикл исключает выброс вредных веществ и парниковых газов в окружающую среду.

Предложенная технология, а также альтернативный и экологически чистый источник энергии засвидетельствован на государственном уровне авторскими свидетельствами №№17223, 20551 и патентами Украины на полезную модель №№ 28963, 33931.

В патенте Украины на полезную модель №30352 предложено три способа использования водяного пара, в качестве альтернативного источника энергии. Во всех этих случаях предусматривается повышение внутренней энергии водяного пара перед подачей в камеру сгорания или топку котла.

Рис.2




Рис.3

Повышение внутренней энергии  водяного пара перед подачей в зону горения традиционных источников энергии или получаемого в котле водорода и кислорода или иным образом, предпламенная подготовка продуктов сгорания, для их сжигания под действием температуры в зоне горения топлива и кислорода, сокращает промежуток времени необходимый для разложения сложных молекул продуктов сгорания на горючие и окислительные вещества, снижает затраты энергии на получение горючих и окислительных веществ, что увеличивает промежуток времени необходимый для их вступления в реакцию и выделения в результате этого дополнительной химической или  тепловой энергии.

Авторами предложены энергосберегающие способы подготовки продуктов сгорания для последующего разложения их молекул на горючие и окислительные элементы. Эти способы сокращают промежуток времени необходимый для разложения сложных молекул продуктов сгорания на составляющие и увеличивают промежуток времени необходимый для вступления горючих и окислительных веществ в реакцию горения с выделением дополнительного тепла.

Первый способ разложения сложных молекул продуктов сгорания на составляющие, заключается в воздействии электромагнитного поля на молекулы, например,  воды  с заданной частотой колебаний, которые вызывают резонансные колебания в  атоме водорода или кислорода в молекуле воды (патент Украины на изобретение № 88006).

Второй способ разложения сложных молекул продуктов сгорания на составляющие (патент Украины на изобретение № 85876) основан на физических свойствах продуктов сгорания, а именно разложение, например, водяного пара на водород и кислород при поглощении внешней энергии 432,5 кДж/моль при нормальных условиях и самовоспламенение водорода и кислорода при температуре 450^оС и выше.

На фотографии (5) изображен генератор тепла перед подачей в него воды. Корпус генератора тепла перед подачей воды нагревается с помощью внешнего источника энергии. На фотографии видно, что на выходе из генератора тепла его поверхность нагрета до более высокой температуры, чем корпус генератора тепла.

Внутри генератора тепла после  подачи воды образовывается водяной пар (фотография 6), который при взаимодействии с более нагретой поверхностью (температура 450^оС и выше) разлагается на водород и кислород с последующим  самовоспламенением водорода и кислорода.

Использование водяного пара в котельном агрегате (патент Украины  на полезную модель № 40498) осуществляется путем подачи природного газа и воздуха через слой воды и сгорания природного газа над поверхностью воды.

Рис.7
«Котельный агрегат»
(патент № 40498)

1 - емкость, 2 - вода, 3 - газовая горелка, 4 - отверстия в газовой горелке, 5 - экран, 6 - полости, 7,8 - отверстия, 9 - втулка, 10 - канавки, 11- отверстия

Рис. 8
«Способ работы пароплазменной горелки или технология Благуты «Экотерм» и пароплазменная горелка Благуты»
(патент № 42536)

1 - корпус, 2 - крышка, 3 - втулка, 4 - канал, 5 - отверстия, 6 - втулки, 7 - отверстия, 8 - подача воды, 9 - экран, 10 - отверстия,11 - подача воды, 12 - газовые горелки

Вода находится в емкости, над которой установлен экран с отверстиями для выхода в топку котла горючих и окислительных веществ. При сгорании природного газа поверхность экрана нагревается до высокой температуры. В результате этого вода нагревается и под экраном образовывается водяной пар, который через отверстия в экране вместе с топливом и воздухом  поступает в зону горения природного газа в топке. Такое техническое решение позволяет  защитить газовые горелки от действия высокой температуры и одновременно снизить расход природного газа.

Основным элементом котельного агрегата, двигателя внутреннего сгорания пароплазменной установки, газотурбинного и реактивного двигателя является генератор тепла или парогенератор. Принцип работы генератора тепла или парогенератора показан на рисунке (8) (патент Украины на полезную модель №42536).

Способ получения дополнительной тепловой энергии, за счет использования водяного пара, как альтернативного источника энергии, осуществляется путем  сжигания природного газа и нагрева корпуса генератора тепла до температуры 1100-1200^оС с последующей подачей внутрь генератора тепла воды, которая при взаимодействии с горячей поверхностью превращается в водяной пар с последующим его прохождением или дросселированием через узкие отверстия в горячей поверхности. Известно, что после прохождения водяного пара через узкие отверстия возможно понижение температуры, повышение температуры и равенство температуры водяного пара до начала процесса дросселирования и после процесса дросселирования.

В генераторе тепла отверстия выполнены таким образом, что температура водяного пара после прохождения через отверстия повышается в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона. В процессе прохождения водяного пара через узкие отверстия увеличивается скорость движения молекул водяного пара и снижается давление. Кроме того, на молекулы водяного пара действует высокая температура. Все эти факторы, а именно снижение давления и действие высокой температуры способствует повышению степени диссоциации молекул водяного пара на водород и кислород. После прохождения газа через узкие отверстия движение потока газа тормозится при взаимодействии с последующей горячей поверхностью. В результате торможения кинетическая энергия газового потока переходит в тепловую энергию,  которая определяется уравнением V²/2Cр, где V – скорость в м/с, Cр – теплоемкость Дж/кг. При взаимодействии газовых потоков с горячей поверхностью перегородок происходит передача кинетической энергии газовых потоков для дополнительного нагрева перегородок. Кроме того, при взаимодействии молекул водяного пара с горячей поверхностью перегородок тепловая энергия  от перегородок передается для дополнительного нагрева молекул водяного пара и повышения его внутренней энергии. В этом случае для диссоциации или разложения молекул водяного пара на водород и кислород требуется меньшее значение энергии, чем 432,5 кДж/моль.

Конструкция генератора тепла обеспечивает многократное увеличение скорости движения газового потока через узкие горячие отверстия с последующим торможением газовых потоков и превращением кинетической энергии в тепловую энергию, а также  многократное управление процессами диссоциации или разложения молекул водяного пара и самовоспламенение водорода и кислорода при взаимодействии с поверхностью нагретой до температуры выше 450^оС.

В генераторе тепла, за счет многократного превращения кинетической энергии газовых потоков в тепловую энергию, а также многократного разложения молекул водяного пара на водород и кислород  и выделения дополнительной химической или тепловой энергии в результате  самовоспламенения водорода и кислорода при взаимодействии с поверхностью перегородок нагретых до температуры выше 450^оС, может выделяться больше энергии, чем излучается энергия через корпус генератора тепла в окружающую среду и используется энергия на первоначальный нагрев воды и превращения водяного пара на водород и кислород.

Регулирование температуры внутри генератора тепла осуществляется увеличением или уменьшением подачи воды.

С целью снижения расхода электрической энергии при получении пара с помощью  пароплазменной установки предложен «Термогазодинамический способ нагрева теплоносителя или технология Благуты – Халатова «Экотерм»», который заключается во встречном взаимодействии пароплазменного потока с температурой около 1100^оС и потока горячей воды с температурой около 100^оС. Поток горячей воды и поток тепловой энергии в виде пароплазменной струи подаются  в камеру, являющейся также генератором тепла, встречными потоками и с большой скоростью, которая достигается с помощью сопел Лаваля.  При взаимодействии встречных потоков кинетическая энергия пароплазменной струи и струи горячей воды преобразуется в тепловую энергию.

Горячая вода под действием высокой температуры  преобразовывается в водяной пар  с повышением внутренней энергии до определенного значения, которое зависит от объема поданной горячей воды и кроме того, при поглощении молекулами водяного пара  тепловой энергии от пароплазменной струи, при встречном взаимодействии, происходит диссоциация молекул водяного пара на водород и кислород, которые при температуре 450^оС и выше имеет свойство самовоспламенения с выделением дополнительной химической или тепловой энергии.

В камере, за счет перехода горячей воды из жидкого в газообразное состояние, создается давление и пар через узкие отверстия, которые могут быть также выполнены в виде сопла Лаваля, подается в следующую камеру. В эту следующую камеру также с большой скоростью подается горячая вода, в результате чего происходят такие же процессы, как и в предыдущей камере с выделением дополнительной тепловой или химической энергии без подвода энергии от внешнего источника. Таких камер может быть несколько и в каждой последующей камере создается давление меньшее, чем в предыдущей камере, а размер или объем последующей камеры больший, чем объем предыдущей камеры.

После выхода водяного пара  с высокой температурой из последней камеры он может подаваться в бак с водой для подачи горячей воды потребителям, вращать турбину электрической станции или подаваться в газотурбинный двигатель с последующей конденсацией и возвращением воды в генератор тепла или в котел.

Рис. 9
«Термогазодинамический способ нагревания теплоносителя Благуты-Халатова «Экотерм»»
(патент № 42492)

1 - корпус, 2 - вода, 3 - камера, 4 - перегородки, 5 - отверстия, 6 - пароплазменная горелка,7 - трубопроводы, 8 - насос, 9,10 - сопла Лаваля,11 - потребители энергии, 12,13 - трубопровод

Рис. 10
«Способ роботы котла Благуты или технология Благуты «Экотерм»»
(патент № 42691)

1 – генератор тепла, 2 – бак для воды, 3 – конденсатор, 4,5 - трубопроводы 

Использование в котле генератора тепла, в котором вырабатывается энергии больше, чем потребляется внешняя энергия, позволяет нагревать незначительное количество дистиллированной воды до высокой температуры и подавать водяной пар по замкнутой и изолированной системе в бак для воды. Водяной пар через стенки  конденсатора передает тепловую энергию и нагревает  воду для потребителей (патент №42691).

После передачи тепла дистиллированная вода конденсируется  и поступает в генератор тепла для использования в качестве  теплоносителя и альтернативного источника энергии. В качестве внешнего источника энергии может использоваться традиционный вид топлива и электрическая энергия. При использовании традиционных видов топлива дистиллированная вода после конденсатора дополнительно нагревается с помощью тепловой энергии отработанных или выкидных газов  и поступает в генератор тепла. Снижение расхода топлива достигается за счет использования дистиллированной воды в качестве теплоносителя и как альтернативного источника энергии при взаимодействии водяного пара с горячей поверхностью генератора тепла выше 450^оС.

Рис. 11
«Способ работы котла Благуты или технология Благуты «Экотерм»»
(патент № 42691)

11 – корпус для ТЭН, 12 - ТЭН, 13 – легкоплавкое вещество, 14 – корпус, 15 – отверстие, 16 – корпус генератора тепла, 17 – теплоизоляция, 18,20 – перегородки, 19,21 – отверстия, 22 – крышка, 23 – устройство для подачи воды, 24 – устройство для подачи водяного пара, 25 – устройство для подачи электрического тока

В генераторе тепла ТЭН размещен в герметичной емкости заполненной легкоплавким веществом имеющую высокую теплоемкость, например, металлическим натрием. При нагреве ТЭН легкоплавкое вещество плавится, и тепловая энергия равномерно распределяется по всей поверхности емкости. Это исключает образование накипи на поверхности ТЭН и обеспечивает постоянную температуру на поверхности емкости, с которой контактирует водяной пар. Такое техническое решение увеличивает срок службы или долговечность ТЭН.

Для автономного обеспечения котельных агрегатов дешевой электрической энергией, а также для исключения вредных  выбросов в окружающую среду,  предложено перевести работу двигателей внутреннего сгорания на запатентованный авторами альтернативный вид топлива.

Способ работы двигателя Благуты (патенты Украины на изобретения №№ 86216, 86247) исключает необходимость использования углеводородного топлива и воздуха для получения механической, электрической или тепловой энергии. В предложенном двигателе в процессе сжатия и расширения водяного пара осуществляется разложения водяного пара на водород и кислород, и самовоспламенение водорода и кислорода при температуре выше 450^оС с выделением дополнительной химической или тепловой энергии.

Рис.12

Охлаждение системы (цилиндр, поршень, камера сжатия и рабочее тело) и  импульс силы или создание дополнительного давления в камере сжатия,  за счет чего происходит выполнение полезной работы,  достигается путем впрыска горячей воды при подходе поршня в в.м.т.. Давление в камере сжатия после впрыска горячей воды зависит от температуры водяного пара. Так при нагреве водяного пара в процессе сжатия до температуры  2000^оС с последующим охлаждением водяного пара до 600^оС за счет подачи горячей воды с температурой  около 100^оС  давление  при фазовом переходе жидкости в газообразное состояние увеличивается в 1,44 раза.

По данным Института электросварки им. Е.А. Патона НАН Украины при плавлении или переработке отходов с помощью воды, которая при температуре 1100^оС переходит в пароплазменное состояние, обеспечивается возможность вырабатывать в 3,5-4,59 раз больше энергии, чем затрачивается энергия на получение синтез газа из медицинских отходов. Однако эти установки потребляют большое количество электрической энергии, за счет подачи воды в холодном состоянии, являются дорогостоящими и требуют частой замены электродов для подачи электрического тока и превращение воды в пароплазменное состояние.

В предложенной технологии Благуты-Халатова «Экотерм» вода в генератор тепла подается с температурой  близкой к температуре фазового перехода воды из жидкого в газообразное состояние, что снижает расход внешней энергии для превращения молекул водяного пара на водород и кислород примерно в 2 раза. Кроме того, только первоначально используется внешний источник энергии, с помощью которого нагревается лишь небольшая часть воды для перехода в пароплазменное состояние. 

В последующем с помощью дополнительных генераторов тепла возможно поэтапное нагревание воды до температуры пароплазменного состояния без внешнего источника энергии, за счет нагрева корпуса генератора тепла первоначально полученным пароплазменным потоком и физических процессов происходящих при движении струй газовых потоков через горячие перегородки внутри корпуса генератора тепла а именно за счет многократного управляемого процесса разложения молекул водяного пара,  при взаимодействии с горячей внутренней поверхностью генератора тепла, самовоспламенение водорода и кислорода, а также за счет многократного превращения кинетической энергии струй газового потока в тепловую энергию.

Предложенный термогазодинамический способ нагревания теплоносителя кроме котельных агрегатов может быть также реализован в газотурбинном двигателе (рис.13),  в пароплазменной установке (рис.14), согласно патентов Украины на полезную модель №№ 42244, 43385, 43384, 42245, и в реактивном двигателе, согласно заявке на изобретение № а200906381 от 19.06.2009 «Способ работы энергетического агрегата с применением продуктов сгорания, как восстанавливаемого, вторичного топлива и окислителя или Теплоагент Благуты или, как альтернатива источника энергии».