XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможных способов использования низко-потенциальной энергии для получения водородно-кислородной топливной смеси из воды
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В последнее десятилетие стала совершенно очевидной ситуация, при которой дальнейшее интенсивное развитие современной энергетики и транспорта ведет человечество к крупномасштабному экологическому кризису. Учитывая эту тревожную тенденцию, многие ученые и практики определенно высказываются в пользу ускоренного поиска альтернативных нетрадиционных источников энергии. В частности, их взоры обращаются к водороду, запасы которого в водах мирового океана неисчерпаемы. Однако существенной непреодолимой проблемой до сегодняшнего дня остается неэкономичность его массового промышленного производства. Более 600 фирм, компаний, концернов, университетских лабораторий и общественных научно-технических объединений Западной Европы, США, Австралии, Канады, России и Японии усиленно работают над удешевлением производства водорода. Успешное решение этой важнейшей задачи революционным образом изменит всю мировую экономику и оздоровит окружающую среду. Есть целый ряд известных способов разложения воды: химический, термохимический, электролиз и другие, но все они обладают одним и тем же крупным недостатком - в технологическом процессе получения водорода используется дорогостоящая высокопотенциальная энергия, на получение которой, в свою очередь, затрачивается дефицитное ископаемое топливо (уголь, природный газ, нефтепродукты) или электроэнергия, вырабатываемая на электростанциях. Такое производство водорода, естественно, всегда будет оставаться неэкономичным и экологически опасным, а, следовательно, бесперспективным. Поэтому в современное время актуальным является вопрос о концентрации низкопотенциальной энергии до необходимых термодинамических параметров при синтезе водорода. Фактический материал по данной тематике (заслуживающий внимание), в литературных источниках и интернете представлен крайне неполно, и многое необходимо проверять экспериментально. В результате изучения этого материала возникла рабочая гипотеза о возможности проведения резонансного электролиза. Актуальность этой идеи является очень высокой, поскольку очевидна простота конструкции электролизёра и его энергетическая экономичность.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является, исследование возможных способов использования низко-потенциальной энергии для получения водородно-кислородной топливной смеси из воды. При работе над темой был поставлен широкий круг сложных технических задач, от решения которых зависел успех экспериментальной работы:
- используя доступные литературные и интернет источники по проектированию низкопотенциальных электролизных устройств, разработать собственную концепцию электролизной ячейки;
- разработать и изготовить импульсный энергетический блок питания водородной ячейки;
- по расчетным данным изготовить резонаторные ячейки, работающие с использованием импульсного источника питания;
- используя изготовленные модели, провести экспериментальные исследования по выяснению эффективности работы устройств.
Электролиз воды [1-9]
Атомарный водород существует в свободном состоянии при температуре 2700-5000 С0. Если образование молекул водорода при электролизе воды идёт путем отделения его атомов от молекул воды, то в фазе атомарного состояния водорода в электролитическом растворе должна формироваться подобная температура. Однако, при процессе электролиза сильного нагревания воды не происходит. В результате, возникает вопрос о механизме этого процесса. Известно, что наиболее совершенные электролизёры расходуют 4 кВт/ч электроэнергии на получение одного кубического метра водорода из воды. При сжигании этого водорода может выделиться около 3,5 кВт/ч чистой энергии. Из этого следует, что водород может стать конкурентно-способным энергоносителем, если затраты энергии на его получение из воды понизить хотя бы до 1 кВт/ч. Это и есть главная задача развития водородной энергетики. Как уже сказано выше, атомарный водород существует лишь при температуре около 5000 С0, а в обычных электролизёрах такой температуры нет, то это значит, что молекулы водорода выделяются из кластеров воды в синтезированном состоянии. Разобраться в этом можно лишь из структур атомов и молекул. Отсутствие орбитального движения электронов в атомах и их линейное взаимодействие с протонами ядер раскрывает структуры любых атомов, в том числе атомов водорода, и кислорода, которые входят в состав молекулы воды (Приложение лист I, рис. 1 - 2). Два крайних электрона атома кислорода расположены на оси атома, а шесть остальных – по кругу, перпендикулярному оси. Можно предположить, что суммарное электростатическое поле шести электронов, расположенных по кругу, удаляет крайние осевые электроны на большее расстояние от ядра атома, следовательно, осевые электроны атома кислорода являются его главными валентными электронами. Именно к этим электронам и присоединяются электроны атомов водорода, и образуется молекула воды (Приложение лист I, рис. 3). Структура атома водорода показывает, что если этот атом соединится с первым осевым электроном атома кислорода своим единственным электроном, то протон окажется на поверхности молекулы и образует зону с положительным зарядом, который будет генерироваться протоном атома водорода. Аналогичную зону сформирует и протон второго атома водорода, который соединяется со вторым осевым электроном атома кислорода. Отрицательно заряженную зону сформируют электроны атома кислорода, расположенные по кольцу вокруг оси атома кислорода. Поскольку при охлаждении электроны излучают фотоны и приближаются к ядру атома, то шесть кольцевых электронов атома кислорода в молекуле воды, приближаясь к ядру атома, своим статическим полем удаляют осевые электроны от ядра. В этом случае расстояние между атомами водорода, расположенными на оси молекулы воды, увеличиваются. Это главная причина увеличения размеров молекул воды при их замерзании. Кластеры воды формируются, прежде всего, протон - протонными связями, когда две её молекулы соединяются по одной оси. Если учесть, что размер протона на три порядка меньше размера электрона, то протон – протонная связь легче разрушается при механическом воздействии на такой кластер. Второй вариант образования кластера: образование кластера может произойти в результате соединения осевого протона одной молекулы воды с кольцевым электроном другой молекулы воды. Это – протон – электронная связь. Её прочность тоже меньше прочности электрон - электронной связи (Приложение лист II, рис. 4). Эти факты и проясняют текучесть воды. Большое электрическое сопротивление воды обусловлено тем, что на осевых концах молекул располагаются положительно заряженные протоны атомов водорода. В результате, линейные кластеры молекул воды, имеют на обоих концах одноимённые заряды, что исключает возможность формирования электрической цепи в чистой воде. Чтобы уменьшить электрическое сопротивление воды и увеличить её электропроводность, надо ввести в раствор ионы, которые имели бы на одном конце главной оси электрон, а на другом протон. В этом случае такие ионы легко объединяются в линейные кластеры с разными знаками электрических зарядов на их концах, что и приводит к формированию электрических цепей в растворе, которые увеличивают его электропроводность. Примером является присутствие в воде иона ОН- (Приложение лист II, рис. 5). На одном конце оси гидроксила расположен электрон атома кислорода, а другой завершается протоном атома водорода. Под действием приложенного напряжения, эти ионы, формируют линейные кластеры с положительным и отрицательным знаками электрических зарядов на их концах. В результате импульс напряжения передаётся вдоль этого кластера от минуса к плюсу. Ток формируется благодаря тому, что ион гидроксила ОН-, расположенный на конце кластера у анода, отдаёт ему свой электрон, а протон атома водорода у иона ОН-, расположенного у катода, получает электрон из него. Если к этому добавить тот факт, что водород выделяется у катода (-), а кислород у анода (+), то факт движения электронов от анода (+) к катоду (-) во внешней цепи, соединяющей анод и катод, становится неоспоримым. Процесс электролиза начинается с выхода электрона с катода в раствор. Осевые протоны двух молекул воды (Приложение лист II, рис. 6), получив от катода по электрону, соединяются в кластер, в структуре которого оказывается молекула ортоводорода в синтезированном состоянии. Теперь надо организовать такое импульсное воздействие на этот кластер, чтобы образовавшаяся молекула ортоводорода выделилась в свободное состояние. На образование молекулы водорода в этом процессе расходуется два электрона, пришедшие с катода. В соответствии с законом Фарадея, на образование одного моль водорода в этом случае расходуется: или
Числом Фарадея называется величина, равная произведению числа Авогадро на заряд электрона . Измеряется эта величина в Кулонах (Кл) на один моль вещества Кл/моль. Если электролиз идет при напряжении 1,70V, то на получение одного моль водорода будет израсходовано: ,
а на получение :
Расчеты с использованием закона Фарадея дают результат, совпадающий с экспериментальными данными, определяющими затраты энергии.
Возможные варианты повышения эффективности электролиза воды
(по информационным источникам).[10-13]
Исходя из анализа информационных материалов (интернет) и литературных источников является очевидным, что изобретатель из США Стэнли Мэйер разработал электрическую ячейку, которая позволяет разделять обыкновенную водопроводную воду на водород и кислород с гораздо меньшей затратой энергии, чем требуется при обычном электролизе. В то время как обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйера производит тот же эффект при токе, измеряемом в миллиамперах. При обычном электролизе обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты для увеличения проводимости воды. Устройство, разработанное Мэйером (ячейка Мэйера) работает при огромной производительности с чистой водой. Свои эксперименты Мэйер счел возможными представить к патентованию. Его работы заслужили серию патентов США под Секцией 101. Представление патента под этой секцией зависит от успешной демонстрации изобретения Патентному Рецензионному Комитету. Ячейка Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что она работает при высоком потенциале и низком токе лучше, чем другие методы. Конструкция проста. Электроды сделаны из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Именно факт, что с плоскими электродами ячейка то жеработает, позволил нам провести серию отдельных экспериментов. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние 1.5 мм дает хороший результат. Значительные отличия заключаются в питании ячейки. Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки (чистая вода, по-видимому, обладает диэлектрической проницаемостью около 81), чтобы создать параллельную резонансную схему. Она возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. Схема измерения тока питания выявляет этот скачок и запирает источник импульсов на несколько циклов, позволяя воде восстановиться. Процесс заключается в следующем: к конденсатору, в котором вода заключена в качестве диэлектрической жидкости между обкладками, включенному в последовательную резонансную схему с дросселем, прикладывается пульсирующее однополярное напряжение, в котором полярность никак не связана с внешним заземлением. Благодаря этому молекулы воды в конденсаторе подвержены заряду той же полярности, что приводит к растягиванию молекул под действием электрических полярных сил. С помощью регулирующих элементов схемы подбирают частоту импульсов, поступающих на конденсатор, соответствующую собственной частоте резонанса молекул воды. Воздействие импульсов в режиме резонанса приводит к тому, что уровень колебательной энергии молекул возрастает с каждым импульсом. Комбинация пульсирующего и постоянного электрического поля приводит к тому, что в некоторый момент сила электрической связи в молекуле ослабляется настолько, что сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи, и атомы кислорода и водорода освобождаются как самостоятельные газы. Схема процесса и рисунки схем генератора (по Мэйеру) приведены в приложении (лист III, рис. 7 - 8). Подобную схему электролиза моделирует Ф.М. Канарев, используя предполагаемый механизм фотосинтеза у растений. Автор полагает, что процесс разложения воды на водород и кислород, который идет при фотосинтезе, приводит к простой конструкции ячейки, в которой имитированы годовые кольца стволов деревьев в виде зазоров между коническими электродами. Процесс электролиза может протекать при напряжении 1,5-2,0 В между анодом и катодом и силе тока 0,02 А. Отмечается, 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. Процесс низкоамперного электролиза может состоять из двух циклов, в одном цикле электролизер включен в электрическую сеть, а в другом - выключен. Процесс генерирования газов наблюдается по выходу образующихся пузырьков. Они продолжают выделяться и после отключения электролизера от сети в течение многих часов. Это убедительно доказывает тот факт, что электролиз идет за счет разности потенциалов на электродах. По утверждению автора, 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 периодически импульсами напряжения, компенсирующими расход энергии, то заряд электролизёра, как конденсатора, будет оставаться постоянным, а процесс электролиза – стабильным (Приложение лист III-IV, рис. 9, таблица 1).
Анализ авторской схемы импульсного электролиза [2,6,7, 10-21]
Прежде чем мы приступили к разработке устройства, был проведён анализ рабочей схемы, автора изобретения. При анализе выяснились некоторые моменты работы устройства, не соответствующие описанию принципа работы, и важные моменты, которые указывают на то, что существует большая вероятность изготовления рабочей ячейки. Обычный электролиз воды требует тока, измеряемого в амперах, ячейка Мэйера производит тот же эффект при токах, измеряемых в миллиамперах. Амперметр постоянного тока, применяемый в измерениях, в большинстве схем генераторов установлен без сглаживающих конденсаторов. Учитывая, что импульсы, поступающие на электроды ячейки, кратковременны и имеют большую скважность, то амперметр, в силу инерционности рамки должен показывать ток не больше одной десятой от реально потребляемого тока, а то и меньше. Межэлектродное расстояние в ячейке Мэйера составляет 1-2 мм., при таком расстоянии производительность любого электролизёра будет достаточно высокой, конечно, при условии наличия электролита. При электролизе выделяется тепловая энергия, но при условии прохождения постоянного тока. При кратковременных импульсах, создаваемых генератором, вполне вероятно, что нагревания ячейки происходить не будет, и она будет оставаться холодной, как указывает автор. В своей ячейке Мэйер использует внешнюю индуктивность, которая образует колебательный контур с емкостью ячейки (диэлектрическая проницаемость воды около 81), чтобы создать параллельную резонансную схему. Она возбуждается мощным импульсным генератором, который вместе с емкостью ячейки и выпрямительным диодом составляет схему накачки. Высокая частота импульсов производит ступенчато поднимающийся потенциал на электродах ячейки до тех пор, пока не достигается точка, где молекула воды распадается и возникает кратковременный импульс тока. При анализе схем генераторов (Приложение лист III, рис. 8), использованных в устройстве автора, нет ни одного колебательного контура. Принцип работы колебательного контура предполагает разно-полярный перезаряд ёмкости и индуктивности, входящих в сам контур, а в схемах этому препятствует диод, к тому же вода ячейки - конденсатора должна быть как минимум дистиллированная, потому что иначе будет разряд через активное сопротивление воды. Схемы накачки энергии, известных в радиоэлектронике устройств, как минимум имеют накопительную линию, состоящую из нескольких конденсаторов и дросселей. В схемах Мэйра вообще ничего нет, кроме устройства разряда – пластин ячейки, которые, препятствуют вообще какому-либо накоплению. Кроме того, накопление энергии происходит постепенно, а потом происходит кратковременный разряд, что препятствует нормальной работе устройства. Повышающий трансформатор, при указанных в схеме параметрах намотки, повысит напряжение всего в три раза, что явно недостаточно для работы ячейки. К тому же схемы, представляемые автором, по своим параметрам (1 - 20 мГц.) не могут работать на резонансной частоте молекул воды (для этого генератор, как минимум, должен работать на частотах, близких к нескольким гГц). Резонансная частота собственных колебаний молекулы воды равна: ω=1,1851x1011с-1. Частота f (Гц) связана с фазовой (циклической) частотой соотношением: ω=2πƒ, откуда получаем: ƒ=ω/2π. Подставляем значения: ƒ=1,1851x1011/2x3,14159=18,861гГц. (18861 мГц.). Определим длину волны, которая вычисляется через скорость света:
λ=300(мм/с) (мегаметры в секунду)/18861(мГц)=15,905мм (1,59 см).
Частота очень высокая, а длина волны очень маленькая. Это означает, что для образования резонанса на такой частоте нужен волноводный резонатор.
Расчёт цилиндрического резонатора [2,6,7, 10-21]
В соответствии с утверждением, необходимо получить явление резонанса на указанной частоте (18861 мГц.), а на этой частоте резонансным контуром молекул воды может быть только «замкнутый» волновод или волноводный резонатор. Для простейшего типа колебаний собственная частота резонатора определяется его диаметром: ƒ0(мГц.)=23x103/D(см.), или: λ(см.)=1,3D(см.). Из приведённых формул находим: D = 23 000 / 18 861 = 1,22 см (12,2 мм.) или то же значение: D = 1,59 / 1,3 = 1,22 см. (12,2 мм.), где D - внутренний диаметр резонатора. Внутренняя трубка ячейки Мэйера, это – круглый волноводный резонатор. По описаниям размеров ячейки (приведенных автором в дюймах) находим размеры, которые составляют: внутренняя трубка диаметром 1,27 см. (12,7 мм), толщина стенки внутренней трубки 0,1245 см. (1,2 мм.), внутренний диаметр внутренней трубки 1,021 см. (10,2 мм.) Полученные по описанию значения очень близки к расчётным (разница в 0,02 см. (0,2 мм.)). Внутренний диаметр (внутренней трубки ячейки Мэйера) напрямую связан с резонансной частотой собственных колебаний молекулы воды и должен быть 1,22 см. (12,2 мм.). Исходя, из полученного диаметра внутренней трубки, рассчитаем остальные размеры: Внутренний диаметр внутренней трубки 1,22 см. (12,2 мм.), толщина стенки внутренней трубки (приблизительно 0,15 см. (1,5 мм)). Внешний диаметр внутренней трубки 1,22 + (0,15 x 2) = 1,52 см. (15,2 мм). Внутренний диаметр внешней трубки 1,52 + (0,15 x 2) = 1,82 см. (18,2 мм.), толщина стенки внешней трубки (приблизительно) 0,2 см. (2 мм.). Внешний диаметр внешней трубки 1,82 + (0,2 x 2) = 2,22 см. (22,2 мм.). Толщина самих трубок для резонанса совершенно не важна, а влияет лишь на жёсткость и массу конструкции. Для получения резонанса молекул воды и высокой производительности установки, важны следующие размеры: Внутренний диаметр внутренней трубки 1,22 см. (12,2 мм.). Расстояние между трубками 1,5 - 2,0 мм. Длина трубок должна быть кратна длине волны, умноженной на коэффициент укорочения, числу, равному 1,22 см (12,2 мм.), (судя по описанию установки, это может быть длина 9,76 см. (97,6 мм.), в которую укладывается 8 длин волн, что не противоречит явлению резонанса (Приложение лист IV, рис. 10).
Расчёт плоского резонатора [2,6,7, 10-21]
В схемах с плоскими электродами создаются другие условия для диссоциации воды. Цилиндрические или полусферические электроды, уже за счет оптимальной пространственной структуры электрического поля, обеспечивают высокую эффективность. Такие электролизеры работают в условиях объемного резонатора среды, в котором могут создаваться стоячие волны. Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается кратной резонансной частоте молекул. При конструировании ячейки необходимо выполнять закон Ома. Вода – проводник электрического тока. Из различных состояний воды самое высокое сопротивление электрическому току имеет дистиллированная вода (диэлектрическая проницаемость - 80 единиц). Диэлектрическая проницаемость – величина, обратно пропорциональная электрическому сопротивлению материалов. При нагревании до 100 градусов диэлектрическая проницаемость уменьшается до 55 единиц, на высоких частотах, начиная с 2 гГц. (СВЧ-диапазон), вода так же уменьшает свою проницаемость. Закон Ома для участка цепи выглядит следующим образом: I=U/R, где (I) - ток на участке цепи, (U) - напряжение (потенциал, приложенный к участку цепи), (R) - сопротивление участка цепи электрическому току. Если развернуть трубки ячейки в плоские обкладки простейшего конденсатора, площадь пластин получится довольно большой, значит, и ток будет значительным. Промежуток между пластинами заполнен водой, кроме того, вода обладает своим сопротивлением электрическому току, а значит и величиной обратно пропорциональной – электрической проводимостью. Если рассмотреть формулу закона Ома, получится, что увеличение напряжения, прикладываемого к пластинам, при неизменяющемся сопротивлении воды, вызовет пропорциональный рост тока, проходящего через воду. Как уже говорилось выше, площадь пластин довольно большая, поэтому ток будет значительным, тем более что на ячейке будет накапливаться энергия. В связи с тем, что сопротивление воды - величина постоянная, при повышении напряжения, в соответствии с законом Ома, будет расти и ток. Снизить значение тока может резонанс в СВЧ области, поскольку на этой частоте сопротивление воды электрическому току большое и по закону Ома потребляемый ячейкой ток очень маленький. В этом случае, можно поспорить с утверждением Мэйера, что на частотах около 20000 мГц резонансным контуром молекул воды может быть только «замкнутый» волновод. Согласно закону Ома, форма волновода не играет роли, главным является площадь поверхности волновода и наличие резонансной частоты. Исходя из выше сказанного, поскольку - D= P/ π, получаем ƒ0(мГц.) =23x103/ (P/ π) (см.), или: λ(см.) =1,3(P/ π) (см.), По формулам находим (периметр) ширину пластины развёрнутого волновода - 4,7 (см.) (47 мм.) (внутренняя пластина) – 6,9 (см.) (69 мм.) (внешняя пластина). Длина пластин должна быть кратна длине волны, это может быть длина 9,76 см. (97,6 мм.), в которую укладывается 8 длин волн, что не противоречит явлению резонанса (Приложение лист V, рис. 11).
Накопление и передача энергии в резонансную ячейку [2,6,7, 10-21]
Задача, выполняемая ячейкой, состоит в разложении молекул воды под действием электрического тока, сопровождаемого электромагнитным излучением. В дистиллированной воде кластеры практически электронейтральны, потому что, в результате испарения произошло разрушение кластеров, а в результате конденсации сильные связи между молекулами воды не появились. Дистиллированная вода – это вода, у которой минимальное количество связей между молекулами. В ней диполи молекул находятся в разориентированном состоянии, поэтому диэлектрическая проницаемость дистиллированной воды очень высока, и она плохо проводит электрический ток. Частично восстановить электропроводность воды можно воздействием постоянного электромагнитного поля. При воздействии энергии источника электрического тока все диполи поворачиваются, ориентируясь своими одноимёнными полюсами в одном направлении. Если молекулы воды до появления внешнего электрического поля создавали кластерную (взаимно ориентированную) структуру, то для ориентации во внешнем электрическом поле потребуется минимальное количество энергии источника электрического тока. Если же структура была не организованной (как у дистиллированной воды), то потребуется большое количество энергии. В воде кластеры периодически разрушаются и образуются снова. Время перескока составляет 10 - 12 секунд. Количественную характеристику полярности определяют электрическим моментом диполя, выражаемым произведением расстояния (l) между электрическими центрами тяжести положительных и отрицательных зарядов молекулы на заряд (e) в абсолютных электростатических единицах: p = l·e. Для воды дипольный момент очень высокий: p = 6,13·10-29 Кл·м. Кластеры воды на границах раздела фаз (жидкость-воздух) выстраиваются в определенном порядке, при этом все кластеры колеблются с одинаковой частотой, приобретая одну общую частоту. При таком движении кластеров, учитывая, что входящие в кластер молекулы воды являются полярными, то есть, имеют большой дипольный момент, следует ожидать появления электромагнитного излучения. Это излучение отличается от излучения свободных диполей, так как диполи являются связанными и колеблются совместно в кластерной структуре. Частота колебаний кластеров воды и соответственно частота электромагнитных колебаний может быть определена по следующей формуле: ω=2πƒ=√а/М, где (a) - поверхностное натяжение воды при заданной температуре; (М) - масса кластера. М=ρV, где (V) - объем кластера. При комнатной температуре 18 - 20°С частота колебаний кластера f равна 6,79·109 Гц, то есть длина волны в свободном пространстве должна составлять λ = 14,18 мм. Поскольку вода является самоорганизованной структурой и содержит, как упорядоченные в кластеры системы, так и свободные молекулы, то при воздействии внешнего электромагнитного излучения будет происходить следующее явление. При сближении молекул воды (расстояние изменяется от R0 до R1) энергия взаимодействия изменяется на большую величину, чем при их взаимном удалении (расстояние изменяется от R0 до R2) , (приложение лист V, рис. 12). Поскольку молекулы воды имеют большой дипольный момент, то в случае воздействия внешнего электромагнитного поля они будут совершать колебательные движения (например, от R1 до R2). Приложенное электромагнитное поле будет больше способствовать притяжению молекул и тем самым организованности системы в целом с образованием гексагональной структуры (Приложение лист VI, рис. 13). При наличии примесей в водной среде, ионы покрываются гидратной оболочкой таким образом, что общая энергия системы стремится принять минимальное значение. Общий дипольный момент гексагональной структуры равен нулю. В присутствие ионов гексагональная структура вблизи них нарушается таким образом, чтобы система приняла минимальное значение, в ряде случаев шестиугольники преобразуются в пятиугольники, и гидратная оболочка имеет форму, близкую к шару. Самоорганизованная система воды при воздействии электромагнитного излучения не будет перемещаться как единое целое, но каждый элемент будет смещаться, в результате чего происходит искажение геометрии структуры и возникает напряжение в ней. Энергия квантов электромагнитного излучения, переходя во внутреннюю энергию организованной водной структуры в результате её искажений, будет накапливаться ею, пока не достигнет энергии водородной связи, которая в 500–1000 раз больше энергии электромагнитного поля. При достижении этой величины происходит разрыв водородной связи, и структура разрушается. В воде при таком воздействии происходит разрыв не только слабой связи между кластерами, но и более сильных связей - в строении молекул воды. В результате этого разрыва могут образовываться Н+, ОН–, и гидратированный электрон е–. Комбинация пульсирующего и постоянного электрического поля приводит к тому, что в некоторый момент сила электрической связи в молекуле ослабляется настолько, что сила внешнего электрического поля превосходит энергию связи, и атомы кислорода и водорода освобождаются как самостоятельные газы. Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбираетсякратнойрезонансной частоте молекул.Для достижения этого, в установке, необходимо создать постоянное электрическое поле и пульсирующее (высокочастотное, резонансное). Источником тока для этого может являться обыкновенный импульсный источник питания. При этом работать он должен пачками импульсов. Необходимо создать условия для резонанса молекул воды. В результате этого, при достижении на электродах ячейки достаточной амплитуды приложенного напряжения от источника, с каждой полуволной тока резонансной частоты, электроны атомов водорода будут двигаться на более удалённые от центров атомов орбиты, что в итоге приведёт к разрыву валентной связи атомов водорода и кислорода. В качестве источника питания ячеек были сконструированы генераторы, работающие по принципу пачек импульсов. Схемы базовых генераторов и разработанной модели, а также фотографии приведены в приложении (лист VI-VIII, рис. 14 – 16). Фотографии, работающих ячеек, приведены в приложении (лист VIII, рис. 17 - 18).
Экспериментальная проверка работы устройства
Параллельно с проверкой работы изготовленной установки проводился обычный электролиз раствора электролита на электролизёре, изготовленном в лаборатории ранее. Обычный электролиз проводился при токе от 1 до 2,5А при напряжении питания 12-24 В. Визуально отмечалась интенсивность выделения газовой смеси, а также отмечалось время заполнения мерного цилиндра объёмом два литра. Реальное время заполнения цилиндра газовой смесью при обычном электролизе составило 8 минут 35 сек. при напряжении 24В и силе тока 2,5А. При снижении напряжения питания до 12В и силе тока 1А время заполнения цилиндра увеличилось практически в два раза и составило 15 минут. Полученные данные были обработаны в программе Mathcad 14 и построен трёхмерный график эффективности работы электролизёра в зависимости от напряжения и силы тока на электродах. Аналогичную проверку эффективности прошла разработанные установки резонансного электролиза. Аналоговый амперметр, установленный на выходе генератора, при работе установки при напряжении питания 12В показал значение тока 50 мА. Однако, как уже говорилось выше, показаниям прибора, из-за импульсной работы схемы, практически верить нельзя или значение показаний нужно увеличивать приблизительно в 10 раз. Таким образом, реальное потребление тока при работе установки должно составить как минимум 500 мА. Эти предположения подтвердились показаниями цифрового амперметра, значение тока при работе устройства не опускалось ниже 500 мА. В среднем при напряжении питания 12В показания прибора составляли 510-520 мА. При увеличении напряжения питания до 24 В показания цифрового амперметра в среднем составили 780-820 мА. Визуальные наблюдения за выделением газовой смеси подтвердили более высокую производительность установки резонансного электролиза. Замеры газа мерным цилиндром позволили получить более точные данные. Заполнение цилиндра газом при напряжении питания 12В происходило за 3 минуты 20 сек., а при напряжении питания 24В за 1 минуту 40 секунд. Таким образом, производительность установки резонансного электролиза, как выяснилось в результате проверки, выше традиционного электролиза практически в пять раз, что, несомненно, является положительным результатом проведённых исследований. Графики результатов проверки приведены в приложении (лист IX, рис. 19 – 20).
Выводы
В результате проведённых исследований можно сделать следующие выводы:
- решение поставленных задач позволило доказать возможность синтеза топливной смеси из воды при гораздо меньших затратах энергии, чем при обычном электролизе с гораздо более высокой эффективностью выхода газа;
- метод резонансного электролиза воды является действительно достаточно эффективным для получения топливного газа и использования его в дальнейшем в перспективных энергетических установках;
- необходимо дальнейшее изучение процессов, протекающих при резонансном электролизе, поскольку многие моменты изготовления установки не находят полного объяснения и проверялись только экспериментальным путём;
- изготовление подобных устройств сопряжено с точными расчётами и высокоточным изготовлением деталей резонансной системы, что доступно далеко не всем и соответственно снижает уровень повторяемости устройства.
Список литературы и интернет - источников
1.Шпильрайн Э.Э., Малышенко С.П., Кулешов Г.Г. Введение в водородную энергетику, 1984.
2.Канареев Ф.М., Вода - новый источник энергии, Краснодар, Кубанский государственный Аграрный университет, 2000.
3.Полинг Л. Общая химия. М.: Мир. 1974.
4.Зацепин Г.Н. Свойства и структура воды, 1974.
5.Краснов К.С., Воробьев Н.К, Годнев И.Н. и др. Физическая химия. Электрохимия. Химическая кинетика и катализ, М., «Высшая школа», 1974.
6.Кузнецов В.И., Развитие учения о валентности, М., «Химия», 1977.
7.Канареев Ф.М., Электролиз воды http://kubagro.ru/science/prof.php?kanarev
8.http://www.new-physics.com/
9.http://Kanarev.innoplaza.net
10.Мэйер, Патенты: (до сентября 1991 г.) 4.936.961 - Метод для производства топливного газа4.798.661 - Схема управления потенциалом газогенератора4.613.304 - Электрический генератор водорода
11.Весенгиреев М.,опубликовано в журнале «Изобретатель и рационализатор», 7-2005.
12.RU 2003104497, Установка для разложения воды электролизом (Водородный генератор Студенникова.)
13.http://www.treat.narod.ru/t22.html
14.PatentCorporationTreaty 4.344.831; 4.184.931; 4.023.545; 3.980.053 N PCT/US80/1362, опубликовано 30 апреля 1981
15.http://www.meanders.ru/meiers.shtml
16.http://www.skif.biz/index.php
17.http://alternativnost.com/
18.http://prometheus.al.ru/
19.http://radiokot.ru/
20.http://ikar.udm.ru/sb18
21.Panacea-BOCAF онлайн Университет, Документы по репликации Водно - Топливной Ячейки.
П риложение
Рис.2. Схемы ядра и атома кислорода.
Рис.1. Схема модели атома водорода: - электрон, - протон.
Рис.3. 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.5. Схемы:
а) гидроксила ;
b) кластера .
Рис.4. Кластеры молекул воды:
а) - линейный кластер воды;
b) шестилучевой кластер воды.
Рис. 6. Схема формирования молекулы ортоводорода в структуре кластера из двух молекул воды.
а) схема молекулы водорода ,
b) ортоводород; c) параводород.
Рис.7. Схема процесса резонансного разложения воды (по Мэйеру).
Рис. 8. Устройство импульсных генераторов используемых в резонансной схеме.
Рис. 9. Низкоамперный электролизер (Пат. № 2227817) Ф.М. Канареева.
Таблица 1. Показатели электролиза воды при периодическом питании электролизера Ф.М. Канареева импульсами выпрямленного напряжения и тока.
Рис. 10. Технологический рисунок трубок резонаторов
(фотография изготовленных трубок и ячейки).
Рис. 11. Технологический рисунок плоских резонаторов.
Рис. 12. Колебания молекул в воде, при воздействии внешнего электромагнитного поля.
Рис. 13. Образование гексагональной структуры воды.
Рис. 14. Базовые схемы генераторов.
Рис. 15 Разработанные схемы генераторов и варианты настройки выходного модуля.
Рис. 16. Фотографии собранной платы генератора.
Рис. 17. Работа ячейки с трубчатыми волноводами.
Рис. 18. Работа ячейки с пластинчатыми волноводами.
Рис. 19. График режимов работы обычного электролизёра (электролит Н2SO4).
Рис. 20. График режимов работы импульсного электролизёра (дистиллированная вода).