Сборник научных трудов и инженерных разработок

Способ получения устойчивого горючего на основе водно-углеводородных соединений

Ю.И. Краснов, к.т.н.

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства.

1. Описание технологии и принципов работы оборудования

1.1.       Введение

Вплоть до настоящего времени попытки создания устойчивых топливных смесей на основе двух и более компонентов, столкновение встречных потоков жидкости с высокой кинетической энергией и т.д. не прекращаются. Основная идея - максимальное диспергирование компонентов с последующим интенсивным перемешиванием, а также введение различных добавок, с тем, чтобы получить максимально устойчивую и однородную во времени среду. Естественно, базовым компонентом являлись углеводороды, дополнительным - вода, как наиболее высокоэнергетическое и доступное вещество, а добавление присадок должно было увеличить адгезию. С середины 60-х годов периодически появлялись публикации в околонаучной прессе. А также многочисленные заявки и патенты. Однако достоверные данные о практическом применении компонентного топлива отсутствовали. В 1999 году в США компания А-545 (д-р Гуннерман) рекламировала устойчивые (месяцы) композитные топлива на основе бензина и воды и даже предлагала оборудование для производства этого топлива, однако дальше рекламы это не пошло. В СССР (России) коллектив под руководством проф. Исаева по непроверенным данным также добился получения квазиустойчивых смесей с сохранением свойств до 3-х месяцев. Данные о практическом использовании в штатных и различных климатических условиях отсутствуют. Имеется информация о создании энергетических устройств, использующих кремнийорганические соединения, однако и здесь достоверных данных о практическом использовании нет. В настоящей работе речь будет идти только о композитных топливах на основе водно-углеводородных смесей.

1.2.       Общие   предпосылки   для   создания   композитного  топлива   на основе углеводородов и воды.

Очевидно, что создание композитного топлива путем смешения компонентов для создания смеси вплоть до дробления на отдельные молекулы обречены на провал, так как одиночная молекула компонентов смеси обладает всеми её свойствами, и нужно только время, чтобы произошла рекомбинация отдельных молекул (кластеров, доменов ...) на макро уровне. Таким образом, рано или поздно происходит разделение смеси на исходные компоненты, при этом возможно незначительное отклонение их физико-химических свойств, но не факт, что в нужном направлении.

Следовательно, остается единственный путь: изменение внутримолекулярных взаимодействий о разнообразии, граничных условиях и энергетических связях о которых науке известно далеко не всё.

Весьма упрощенно схема получения устойчивых (квазиустойчивых) соединений или растворов можно представить следующим образом: Одна или несколько разнородных жидкостей в определенном объеме подвергаются внешним воздействиям, которые должны удовлетворять следующим условиям:

1.2.1. Ослабление сил Ван-дер-Ваальса до минимальной величины, которая обеспечивает квазиустойчивое состояние данного вещества.

Снижение энергетического потенциала внутриатомных или групповых связей до аналогичного минимума.

Наилучшим вариантом было бы разделение химического вещества на атомы или

группы атомов (СНх+. СНх++, ОН-, ОНх~, О-, Н-) В идеале получение электрон протонной холодной плазмы.

Следует заметить, что существование жидкости в трех перечисленных нестабильных состояниях подтверждается путем прямых и косвенных доказательств. Дело за малым: как создать подобные условия, не прибегая к внешним гидровоздействиям и получать при этом устойчивые растворы, т.е., по существу, новые химические соединения.

1.3. Способ получения устойчивых жидких многокомпонентных растворов.

Прикладные исследования последних десятилетий в области кавитации, которая является наименее изученным явлением в физике жидкости, вселяют надежду на достижение поставленной цели.

В первом приближении кавитация представляет собой образование пузырьков пара в жидкой среде, Различают три фазы развития процесса кавитации:

образование пузырьков пара;

рост до определенного размера с возможным делением, как правило, на два пузырьковых образования; охлопывание, т. е. исчезновение пузырьков.

В процессе схлопывания (взрыв, направленный в центр пузырька) происходит выделение энергии, величина, которой зависит от свойств жидкости, радиуса пузырька и внешних условий. Имеются многочисленные проверенные данные, что величина энергии, выделенной при схлопывании пузырька обратно пропорциональна по одним данным третьей или по другим данным шестой степени его радиуса. В МВТУ имени Баумана экспериментально замерена величина энергии схлопывания в виде ударной волны порядка 2-5 х 107 атмосфер. Энергия схлопывания в основном поглощается окружающей средой и в случае единичных актов к существенным изменениям свойств среды не приводит. Однако картина может существенно измениться, если количество пузырьков возрастает до такой величины, что процесс их образования, времени жизни и схлопывания может привести к кардинальным изменениям свойств жидкости, вплоть до изменения её химического состава. I     Однако   при   значительной   степени  кавитации   в  жидкости   (О   =   Vk/Vобщ) превышающей 0,15-0,2 для воды, возникают негативные явления в виде появления медленных нейтронов и радиоактивного излучения, в том числе излучение, которое ^усиливается по времени продолжения процесса.

Экспериментально удалось найти техническое решение, при котором, сохраняя высокий уровень энергетического выделения в широком диапазоне спектра (5-8 порядков) удалось избежать жесткого (радиоактивного) излучения и образования медленных нейтронов. В основе решения лежат нелинейные взаимодействия
вихревых структур, в том числе регулируемые резонансные взаимодействия.
Рис.1. Здесь: Насос.                           3. Теплообменник.

    Преобразователь энергии.       4. Заправочно-сливное устройство.

На Рис. 1 приводится принципиальная схема установки, позволяющей производить композитное топливо.

Установка состоит из насоса (1), преобразователя энергии (2) и теплообменника (3) для снятия избыточного теплового выделения в рабочем теле. Циркулирующая в контуре жидкость (Рабочее тело) многократно проходит через преобразователь, в результате чего изменяется её структура и химический состав. Время экспозиции в контуре, в зависимости от поставленной задачи, составляет от нескольких до десятка минут.

При необходимости изменения состава рабочего тела - разделения сложных жидких органических смесей или водных растворов (например, тяжелый мазут, морская вода и т.д.), рабочее тело через сливное устройство (4) поступает в отстойник, где и происходит второй этап разделения. В отстойнике любые посторонние включения в основную среду выпадают в осадок, либо концентрируются в поверхностном слое, но в измененном виде. Окончательное разделение происходит механическим путем или с использованием обычных фильтров.

1.4.       Создание композитного топлива "вода - дизельное топливо".

В июле 2001 года на экспериментальной установке производительностью 0,2 м³/час проведена серия испытаний с различным соотношением компонентов. Во времени (30 месяцев) расслоения не произошло. Методом лазерной спектроскопии установлено, что исходная смесь, состоящая на 30% из водопроводной воды и 70% стандартного дизельного топлива, является раствором, отличающимся по физико-химическим параметрам от исходных компонентов. Теплота сгорания превышает аналогичную величину исходного дизельного топлива на 12-15%. При этом концентрация продуктов сгорания уменьшается в 2-8 раз, энергозатраты не превышают 1500 ватт/час на 1 м³ раствора.

1.5.       Создание композитного топлива на водно - мазутной основе.

В сентябре 2001 года на созданной лабораторной установке получены 20 литров горючего вещества состоявшего из 50% водопроводной воды и 50% мазута М-100. Полученный раствор был устойчив в течение 20 месяцев, после чего в контрольной емкости наблюдалось увеличение плотности, и вязкости в нижней части емкости.

Теплотворная способность в пределах погрешности измерений по сравнению с исходным мазутом существенно не изменилась. Состав продуктов сгорания изменился в сторону снижения концентрации существенно, по сере, например в 5 раз.

В настоящее время создана экспериментальная установка специально для получения водно - мазутных растворов. Парафины в исследуемой смеси отсутствуют.

1.6.       В  2003  -  2004  гг.   получены  следующие  усредненные  характеристики
композитного топлива (вода - стандартный соляр).

Для сравнения, теплота сгорания газа пропан - 46.0 дж./гр., стандартного дизельного топлива 43.0 дж./гр. Стоимость работ (энергозатраты без стоимости воды) для получения одного куб. м. композитного топлива оценивается приблизительно 40 руб. При сгорании композитного топлива содержание СО и СО₂ в 8-12 раз меньше, чем в исходном дизельном топливе.

В 2005 г. получено композитное топливо вода - растительные масла (плюс специальные присадки) с содержанием растительного масла три и менее процента. Данное композитное топливо может оказаться наиболее перспективным с точки зрения стратегического подхода к проблеме энергоснабжения,

Есть основания полагать, что на основе воды и углеводородов (от сырых нефтепродуктов до растительных масел с содержанием воды от 10 до 98 %) получено новое вещество, не имеющее мирового аналога. Имеющиеся образцы топлива простояли в лабораторных условиях более 3-х лет, но не изменили физико-химических свойств, и по-прежнему являются высоко эффективным топливом. Эксплутационные свойства полученного вещества превосходят практически любые известные виды топлив. Применение подобного топлива в разы снижает потребление нефтепродуктов применяемых для целей отопления.

Еще более важным аспектом является использование, для получения композитного топлива, возобновляемого растительного сырья (растительные масла). Переход на предлагаемое композитное топливо позволит, не только экономить природные углеводороды, но и решить проблему экологии, связанную с выбросами продуктов сгорания в окружающую среду. Продукты сгорания в данном виде топлива почти отсутствуют.