Автор: ecomobile | 03.05.2010

ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ


ЭЛЕКТРИЗАЦИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВ КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВЫСОКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

Обосновано получение электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях и применение зарядов статического электричества в положительных целях. Приведено разработку технологического способа и устройства получения электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях.

The receipt of electric energy from the division of charges in dielectric liquids and application of charges static electricity in positive aims is grounded. Development of technological method and device of receipt electric energy is resulted from the division of charges in dielectric liquids.

Обострение энергетических проблем побуждает к поиску новых источников энергии, которые должны в полной мере удовлетворять потребности человечества в необходимой тепловой и электрической энергии и обеспечивать при этом высокую экологическую чистоту, простоту и безопасность в обслуживании. Научные работники всех стран работают над созданием альтернативных топлив по сравнению с углеводородным топливом, а также над поиском альтернативных видов энергии.

Парадоксальным есть то, что некоторые физические явления, известные человечеству из очень давних пор, в данное время являются менее всего изученными, как например статическая электризация, первые упоминания о которой отмечены в Фалеса Милетского около 2500 лет назад. Собственно из классического опыта по электризации янтаря о шерсть началось изучение статического электричества, с этого опыта начинается наше знакомство с ним в школе. Долгое время существовала мысль о бесперспективности практического применения этого явления, что надолго отстранило к нему интерес исследователей. Интенсивное изучение электризации началось в начале ХХ века, когда, в связи с бурным техническим прогрессом, начали оказываться последствия образования электростатических зарядов: взрывы, пожары, и т.д. Известно достаточно много случаев негативного проявления электризации в разных областях промышленности [1, 2]: химической, текстильной, целюлознобумажной, резиновой, в хирургических клиниках, угольных шахтах, на транспорте и многих других. По статистическим данным убыток, который наносит статическое электричество лишь, например, на предприятиях США, имеющих дело с пылью разных веществ, составляет около 100млн. долларов в год [2]. Наиболее опасной электризация есть в отраслях промышленности, связанных с производством и потреблением большого количества легковоспламеняющихся веществ, в частности углеводородных жидкостей. Не случайно одними из инициаторов систематического изучения электризации нефтепродуктов, были наибольшие нефтяные фирмы «Шелл» и «Esso», которые создали целевые лаборатории для изучения причин возникновения статического электричества и усовершенствования методов по ее ликвидации.

Поэтому более богатый источник электрической энергии — статическое электричество не может оставаться без внимания, а проблемы которые возникли на рынке энергоносителей заставляют не бороться с статическим электричеством, а работать над способами полезного его применения. Использование статического электричества, которое возникает в технологическом оборудовании в результате разделения зарядов при трении диэлектрической жидкости о поверхность оборудования, как позитивное явление является актуальным и новым, так как получение электрической энергии без весомых затрат энергоносителей и окислителей — это актуальная тема сегодняшнего дня.

ПОСТАНОВКА ЗАДАНИЯ
Целью данной работы являются обоснование возможности применения статического электричества для получения электрической энергии из разделения зарядов в диэлектрических жидкостях.

АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ И ПУБЛИКАЦИЙ
Современные высокопродуктивные насосы и оборудование позволяют делать заправку большого самолета за 20-40 минут. Обязательным элементом системы заправки считается фильтр тонкой очистки из волоконных пластиков с пропускной способностью (3-4 тыс. л/мин), высокой степенью очистки и малой стоимостью. Однако в момент заправки самолетов именно он приводит к интенсивному появлению зарядов статического электричества [3]. Выявлены случаи проявления статических зарядов на сетке в перекачивающем насосе самолета, а также прогорание фильтровальной бумаги в фильтре бензозаправщиков. Значительного проявления статическое электричество приобрело на автозаправочных станциях при заправке автомобильного транспорта и при перекачивании светлых нефтепродуктов. Вследствие этого, зафиксировано множество случаев самовоспламенения технологического оборудования и автомобилей именно во время выполнения процесса заправки [3].

Как известно, электризация диэлектрических жидкостей связана с появлением двойных электрических слоев на поверхностях раздела двух жидких сред, или на границах деления жидкость – твёрдое тело. Двойной электрический слой — пространственное распределение электрических зарядов разных знаков „неподвижно» связанных со стенкой трубы (слой Гельмгольца — 10-6 м) и диффузионного слоя ионов противоположного знака (слой Гуи) [4]. За счет движения жидкости относительно стенки трубы и перемещения зарядов слоя Гуи в емкость, возникает разница потенциалов между трубой и емкостью. При трении жидкостей о металлы в процессах течения или разбрызгивания возникает электризация диэлектрических жидкостей за счет электролитического деления зарядов на границе металл — жидкость. Электризация при трении двух жидких диэлектриков — следствие существования двойных электрических слоев на поверхности раздела жидкостей с разными диэлектрическими проницательностьями, жидкость из большей диэлектрической проницательностью заряжается положительно, а из меньшей — негативно (правило Коэна) [4]. Заряды статического электричества наблюдаются при взаимном трении двух диэлектриков, или полупроводников металлов разного химического состава, или одинакового состава, но разной плотности, при трении металлов по диэлектрике, при трении двух одинаковых диэлектриков, при трении жидких диэлектриков друг о друга, или о поверхность твердых тел и др. При этом электризуются оба тела; а их заряды одинаковые по величине и противоположные по знаком. В связи с тем, что углеводородные топлива за своей физической природой имеют низкую удельную электропроводность, они активно электризуются, сохраняют и накапливают электрический заряд. При определенной плотности электростатического заряда напряженность электрического поля может достичь критических значений и возникнет электрический разряд.

На поверхности деления твердое тело-жидкость, в результате процессов адсорбции образуются двойные электрические слои. Природа сил в каждом слое разная и зависит от свойств твердой поверхности и жидкости. При физической адсорбции действуют силы Ван-дер-Ваальса: индукционные, ориентационные или дисперсионные [5]. Принципы электролитического разделения зарядов на границе разделения жидкость-твёрдое тело являются фундаментальной основой теоретических и экспериментальных исследований трибоэлектических процессов. Контакт поверхностей трения и диэлектрических жидкостей в целом, а их атомов и молекул в частности в трибоэлектрических процессах рассматривается с позиции электролитического взаимодействия. Появление электрических зарядов в результате трения и распределения зарядов на грани жидкость-твёрдое тело возможно только лишь за счет вещества и энергии, разности плотности вещества. Исходя из этого, будет целесообразно разработать принципиально новые способы получения такой энергии из разделения зарядов в диэлектрических жидкостях.

На наш взгляд, в данном случае целесооб-разно будет рассматривать статическое элек-тричество, более точно трибоэлектрику, которая возникает в трубопроводах и технологическом оборудовании при трении об их поверхности диэлектрической жидкости (в нашем случае это: нефть, жидкие углеводородные топлива, разно-го рода оливы, масла).

Известно, что возникновение электростатических зарядов обусловлено следующими условиями: наличие одного из механизмов образования зарядов, течение, распыление, дробление и т.д.; наличие условий для их накопления; образование электростатического поля с максимальной напряженностью на одном из участков, что превышает пробивную напряженность среды на этом участке; наличие взрывоопасной концентрации паров в месте пробоя; образование искрового пробоя с энергией, большей минимального значения энергии воспаления данной среды. Достаточным условием является одновременное существование всех отмеченных выше условий. Каждый из отмеченных факторов является сложной функцией внешних влияний, конструкции оборудования, электрофизических свойств жидкости. В данный момент мы имеем достаточно четкую картину условий возникновения статического электричества в диэлектрических жидкостях в зависимости от разных факторов: физических свойств самой жидкости, температуры и давления [3].

Многими учеными мира исследованы характеристики разрядов в углеводородных парах [4], разработаны методики расчета электростатических полей, правда для самых простых случаев, которые дают совпадение с результатами эксперимента. В противовес этому, вопрос об условиях образования и накопления зарядов есть пока недостаточно изученным. Попытки теоретически обосновать электризацию жидкостей привели к разногласиям с данными эксперимента. Причем не совсем понятно, что более ошибочно: основные допущения, положенные в основу теории, методика эксперимента, или то и другое вместе.

Все возможные механизмы накопления зарядов можно классифицировать на следующие группы:

1. Электризация при контакте с твердой поверхностью:

а) при течении жидкости в трубах;

б) при фильтрации;

в) при осаждении взвешенных долек;

г) при дроблении от удара о твердую поверхность.

2. Электризация при контакте с жидкостью, которая не смешивается.

3. Электризация при контакте с газом:

а) распыление жидкости в газе;

б) барботирование жидкости газом.

Решающим при эксплуатации диэлектрической жидкости оказываются два механизма: образование заряда при течении по трубам и фильтрации. Исследованиями научных работников установлена качественная картина поведения топлива в этих случаях, на основании которых можно сделать следующий вывод: электризация диэлектрических жидкостей определяется тремя факторами — физическими свойствами жидкости, конструктивными особенностями оборудования и комплексом внешних условий [2]. Исследования электризации жидкости обычно проводились в комплексе, то есть без исключения какого-либо из этих факторов. В итоге выводы, полученные из такого рода экспериментов часто противоречат друг другу. Так неоднократно выражалось предположение о том, что материал устройств практически не оказывает влияния на степень электризации, однако практические результаты показывают обратное [2].

Тяжело отрицать тот факт, что в одинаковых условиях разные жидкости электризуются неодинаково. Это дает основание допускать, что такое свойство жидкостей существует и может быть определено при наличии соответствующих экспериментальных данных. Концепции, положенные в основу явления, делают необъясненным тот факт, что чистые углеводороды не электризуются. Приведенные выше примеры не являются перечнем всех противоречий и несоответствий, а лишь короткая иллюстрация несовершенства наших знаний в данной области. По признанию многих исследователей изучение вопроса статической электризации, и не только жидкостей, находится на стадии накопления экспериментального материала [2].

На топливных предприятиях нейтрализация зарядов статического электричества при наполнении топливом заправщиков, автоцистерн на пунктах налива осуществляется индукционными нейтрализаторами статического электричества (ИНСЭТ), которые устанавливаются после фильтров на линии выдачи нефтепродукта. Наличие нейтрализатора позволяет увеличить производительность наполнения цистерн топливом на 70% (с учетом возможности оборудования). Но ИНСЭТ не является единственным средством борьбы с зарядами статического электричества. Так, например, на автозаправочных станциях успешно применяют в этих случаях единственную металлизацию конструкций для выравнивания потенциалов, или просто заземляют опасные участки для стекания зарядов в землю [4]. Учитывая актуальность про-блемы защиты топлив от накопления статического тока в авиационные топлива добавляют комплексные присадки «Assa» „Сигбол», которые имеют антистатические свойства. В концентрации 0,003 % они повышают электропроводимость нефтепродуктов и уменьшают электризацию.

Приведенные выше средства защиты от электростатических зарядов не являются достаточно эффективными, так антистатические присадки лишь уменьшают электризацию нефтепродуктов, повышая их электропроводимость, но не исключают появление электростатических зарядов и требуют от эксплуатанта дополнительных расходов на их приобретение. Применение ИНСЭТ позволяет отводить заряды статического электричества от объектов их образования в землю, но не использовать этот источник энергии в полезных для человечества целях.

В результате теоретического исследования было разработано и апробировано устройство и способ получения электрической энергии высоких напряжений [5, 6], которые базируются на позитивном использовании зарядов статического электричества, полученных посредством ИНСЭТ при эксплуатации углеводородных топлив.

В основу изобретения были поставлены задачи:

1. Путем создания более простого за строением и экономически более эффективного устройства получения электрической энергии высоких напряжений обеспечить возможность получения электрической энергии высоких напряжений, повысить эффективность использования устройств для снятия зарядов статического электричества.

2. Усовершенствование способа получения электрической энергии высоких напряжений путем получения электростатических зарядов с технологического оборудования, эксплуатация которого связана с углеводородными жидкостями, обеспечить получение электрической энергии высоких напряжений без особенных затрат энергоносителей и окислителей, полностью или частично решить проблему борьбы с зарядами статического электричества на предприятиях, которым присущая транспортировка диэлектрической жидкости по трубопроводу.

На рис.1 изображена принципиальная схема устройства получения электрической энергии высоких напряжений и на рис.2 — принципиальную схему реализации способа получения электрической энергии высоких напряжений.

Устройство работает следующим образом: заряды статического электричества постоянно накапливаются в элементах технологического оборудования и посредством ИНСЭТ 1 их отводят на металлический шар 2, а дальше на разрядник 3, один конец которого присоединен с шаром 2, а второй с землей 4. К разряднику 3 присоединена нагрузка 5, напряжение на которой приводит к появлению электрического тока в электрическом цепи. Изменяя величину зазора электрического разрядника регулируют получение нужной величины потенциала на металлическом шаре 2. При возникновении опасного уровня потенциала предусмотрен воздушный разряд для чего разрядник 3 заземляют.

Способ получения электрической энергии высоких напряжений, который реализованный в устройстве получения электрической энергии высоких напряжений может быть объяснен поданным чертежом 2. Из технологического оборудования (1,5,7,10 – задвижки; 2,4 – фильтры; 3 – счетчик; 8 — барабан; 9 — гибкий трубопровод; 11 — наконечник заправки) и трубопровода заряды статического электричества отводят ИНСЭТ 6. Но в отличии от стандартного его применения, когда после него заряды статического электричества отводят в землю, в данном способе, заряды статического электричества от ИНСЭТ 6 отводят к устройству получения электрической энергии высоких напряжений 12, который и позволяет получать электрический ток высоких напряжений порядком 20-30 кВ.

ВЫВОДЫ
Проведен анализ явления электризации и объектов её возникновения, обосновано получение электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях, возможность применения статического электричества, как источника электроэнергии. Разработаны: принципиально новое устройство и способ получения электрической энергии высоких напряжений с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях, реализация которых прогнозируемо должна дать не только дешевую электроэнергию, но и позволить более эффективно использовать средства отвода зарядов статического электричества от пожароопасных и взрывоопасных участков. На основании анализа результатов, полученных при теоретических исследованиях, установлены оптимальные области практического применения получения электрической энергии с разделения зарядов в диэлектрических жидкостях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ройзен И.О., Медведева B.C. Статическое электричество и меры по борьбе с ним в химической промышленности. Сб.: Охрана химических предприятий от пожаров и взрывов, НИИТЭХИМ, 1991 г.
2. Электризация диэлектрической жидкости вблизи вращающегося диска. Прибылов В.Н. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1, Математика. Механика. 2003. № 2. C. 39-43.
3. Сканави Г. И., Физика диэлектриков, (Об-ласть слабых полей), М. — Л., 1991 г.
4. Чеботарёв Л.И. Эксплуатация средств топливообеспечения аэропортов. – М.: Воздуш. транспорт, 1993. – 240 с.
5. Пат. 13487U Україна. H02N 1/00, H02H 1/06. Пристрій для отримання електричної енергії високих напруг / О.М. Зубченко, І.Л. Трофімов, І.А. Кравець.– Чинний від 17.04.2006.
6. Пат. 18479 Україна. МПК (2006) Н02N 1/00 Спосіб отримання електричної енергії високих напруг / І.Л. Трофімов, О.М. Зубченко, І.А. Кравець – Чинний від 15.11.2006.

Смотри также уникальную открытую коллекцию патентов изобретений и технологий: Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ
Ваш E-mail:*

Сообщение:*

Реклама

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s

Рубрики

%d такие блоггеры, как: