О возможном механизме нагрева воды и водных растворов при воздействии переменного электромагнитного поля

Нагрев воды и водных растворов, требующий больших затрат энергии, широко используется во многих отраслях экономики. Создание экономичных устройств нагрева воды за счетиспользования специфических свойств воды и режимов нагрева будет способствовать не только экономии энергоресурсов, но и снижению отрицательного воздействия на окружающую среду.

Сотрудниками Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева разработан энергосберегающий способ нагрева воды и водных растворов переменным электрическим полем [1]. Особенностью этого способа является нелинейный характер изменения отношения Q _тепл / Q _эл в зависимости от удельной мощности Р _уд (см. рисунок). Такой эффектнаблюдается при следующих условиях:

– воздействии переменного электрического поля;

– полном отсутствии видимого выделения газа;

– незначительной удельной мощности.

График зависимости Q _тепл / Q _эл отудельной мощности Р _уд и материалов электродов:

1 – нержавеющая сталь – нержавеющая сталь;

2 – нержавеющая сталь – титановый сплав

Методика проведения эксперимента и расчетов. Нагрев воды или водного раствора общим объемом V вте-чение времени t производился в ячейке из диэлектрического материала (оргстекла), где расположены рабочие электроды. Величины переменного напряжения U , подаваемого на электроды и тока I , определялись с помощью цифрового мультиметра. Температура измерялась в начальный моменти по окончании процесса в трех точках межэлектродного пространства (у дна, в средней части и поверхности воды), разность средней температуры

( А Т ср = Т с _р0 - Т ср t ) находилась двумя способами: с помощью термометра и термопары (тип К).

Энергетические параметры рассчитывались по следующим формулам:

– удельная мощность, Вт/(л · °С):

IU pуд = V А Т ’ ср

– затраченная удельная электрическая энергия, Дж/л:

Q = IUt- ;

эл V ;

• – полученная удельная тепловая энергия, Дж/л:

cm А T ср

.

тепл V .

Обработка результатов экспериментов и расчетов и построение графиков зависимостей осуществлялись с использованием аппроксимирующей кривой.

Обсуждение результатов экспериментов. При низких значениях удельной мощности отношение Q _тепл/ Q _эл стремится к единице. С увеличением удельной мощности происходитего резкое падение, которое может быть связано с изменениями не только химического состава обрабатываемой воды, но и ее структуры.

Еще одной особенностью данного процесса является независимость характера изменения графика от концентрации солей в воде. Это позволяет сделать предварительный вывод об отсутствии влияния концентрации солесо-держания на отношение Q _тепл / Q _эл в процессе нагрева воды при низких удельных мощностях.

Большое влияние на нагрев воды и водных растворов оказывает материал электродов. Так, применение титанового электрода дает более высокие значения отноше-ния Q _тепл/ Q _эл (см. рисунок). Это явление мы можем объяснить процессами, протекающими в двойном электрическом слое титанового электрода, а также образованием на нем окисной пленки, обладающей полупроводниковыми (диодными) свойствами.

На основе полученных опытных данных можно предположить, что такой нагрев происходит за счет специфического воздействия переменного электромагнитного поля: на водный раствор, помимо электрического поля, оказываетвлияние и магнитное поле (хотя и незначительное), причем, по утверждению авторов [1], источником энергии служитэнергия электрического поля, а магнитное поле играетроль управляющей системы.

В [2] было выдвинуто предположение, что слабые электромагнитные поля не могут вызывать тепловые эффек- ты напрямую и вносить существенные изменения в скорости реакций за счет температурных эффектов. Поля воздействуют опосредованно, изменяя концентрацию или активность некоторых кинетически значимых молекул и комплексов. Возможным объяснением влияния слабых электромагнитных полей может служить перераспределение зарядов на пространственных неоднородностях среды, в которой они находятся. В воде же постоянно присутствуют связанные протоны, которые могут свободно перемещаться вдоль цепочек водородных связей.

Процесс нагрева воды и водных растворов осуществляется на основе не зависящих друг от друга механизмов:

• а)    за счетспецифического воздействия переменного электромагнитного поля:

  – электрохимических реакций на электродах;

  – тепловыделения в двойном электрическом слое;

• б)    за счетвихревых явлений.

Приоритетный механизм на данный момент пока не определен. Мы полагаем, что все механизмы равновероятны и доминирование того или иного механизма зави-ситотусловий протекания процесса.

Нагрев за счет электрохимических реакций на электродах. Теоретическое описание процессов электрохимической обработки воды в современной литературе неоднозначно. Несмотря на то что основные стадии процессов на электродах и объеме воды и ее растворов определены достаточно четко, пути проведения этих процессов, а также интерпретация полученных результатов не дают конкретного представления о механизме электролиза.

Так, в монографии [3] делается аргументированная переоценка теоретических представлений о процессах, происходящих на электродах при электролизе воды. Здесь же обоснована возможность получения дополнительной (избыточной) энергии из энергий химических связей молекул воды при условии, что электролиз воды будет сопровождаться процессами синтеза сначала атомов, азатем – и молекул водорода.

Согласно [3; 4], процесс получения дополнительной энергии катодного выделения водорода можно представить в виде таблицы.

В [3] также приведены следующие оценки дополнительной тепловой энергии: при синтезе 1 л воды выделяется в 1,62 раза больше энергии, чем при сжигании 1 л бензина, и в 3,0 раза больше, чем при сжигании водорода, полученного из 1 л воды.

Дополнительным фактором, усложняющим понимание процессов воздействия на воду электромагнитного поля, является характер его зависимости от времени: импульсный (прямой и обратный) и переменный.

В [5] отмечается, что характерное влияние импульсного тока обусловлено главным образом процессами, протекающими в паузе, а также сверхвысокими амплитудами. Скорость различных электрохимических процессов в водных растворах существенно изменяется при вполне определенных частотах тока, различных для каждого элемента.

Дискретный характер тока позволяет эффективно воздействовать на электродные процессы за счет увеличения скорости химических реакций на электродах и в объеме. В паузу тока в зависимости от ее длительности проис-ходитчастичное выравнивание концентраций катионов и анионов в приэлектродных областях и отвод продуктов реакций. Это подтверждается инерционностью системы: при проведении экспериментов был замечен эффект продолжительного по времени нагрева воды и водного раствора после отключения напряжения.

Существенным условием, радикально влияющим на полученный результат, является обработка на резонансных частотах (более подробно об этом см. ниже).

Однако механизм образования нагрева за счетэлект-рохимических реакций нельзя считать основным в силу того, что с ростом частоты тока электрод становится малополяризуемым и на нем прекращается побочное выделение продуктов электродных реакций (например, кислорода), так как с увеличением частоты переменного тока доля относительно медленно протекающих необратимых процессов на электроде снижается [6]. Этот факт может объяснить отсутствие выделения газов на электродах во время проведения экспериментов.

С другой стороны, переменный характер электромагнитного поля оказывает серьезное влияние на кластерные структуры воды, которые на границах раздела фаз «жидкость–воздух» выстраиваются в определенном порядке, при этом все кластеры колеблются с одинаковой частотой. В [7] отмечается, что возникающие вблизи электродов высокоэнергетические резонансные кластеры из осциллирующих диполей (молекул воды, OH– и т. д.) в динамических условиях при резонансе способны проявлять эффекты динамической стабилизации, хотя в статике такие системы из диполей неустойчивы. Исходя

Стадии катодного выделения водорода

Стадия	Реакция	Описание	Энергоемкость, кДж/моль
1	–	Транспортионов Н+ (Н3О+) или молекул Н2О к катоду	–
2	Н з О ++ e ^ Н адс + ЩО h2o + е ^ Hw + он -	Разряд ионов Н3О+ или молекул Н2О с образованием адсорбированных атомов водорода	–1 072
3	н3о + + Над =+ е ^ н2 + н2о 3           адс              2      2	Синтез атома водорода (электрохимическая десорбция)	+1 312
	н +н адс      адс        2	Рекомбинация образующихся адсорбированных атомов водорода в молекулу H2 (каталитическая десорбция)	+436
4	–	Переход молекулярного газообразного водорода в газовую фазу	–
	2Н 2 + О2 ^ 2H 2 O	Образование воды	+285,8

из этого в [8] указывается на возможность появления электромагнитного излучения уже самой кластерной структуры.

Частота колебаний кластеров воды и соответственно частота электромагнитных колебаний может быть определена по формуле [9]:

“■ 2 ⁿ f ■ MI ,             (1)

где a - поверхностное натяжение воды при заданной температуре, a = 72,86 10^-3 Н/м; М - масса кластера:

M = р V, здесь V- объем кластера, р - плотность воды (1 г/см3).

Предварительный расчет массы кластера по формуле (1) для процессов, протекающих при переменном токе частотой 50 Гц, дал значение М = 7,38 · 10^–7 кг, что соответствует структуре кластера из 56 · 10¹² молекул. Понятно, что образование такого кластера маловероятно в силу нестабильности кластерных структур, а также из-за тепловых воздействий.

Нагрев за счет тепловыделения в двойном электрическом слое. В процессе электролиза в водных растворах вблизи электрода в результате полимеризации воды про-исходитее уплотнение до 1,5 г/см³ на толщине в 3…4 монослоя молекул, примыкающих к электроду. Уплотнение вещества без повышения давления означает возрастание в нем энергии связи, которое должно сопровождаться выделением тепла. Локализация тепловой энергии на поверхности электрода, т. е. в двойном электрическом слое, вызываетизменение его температуры, а часть энергии теплового импульса распространяется в глубину электролита, создавая таким образом тепловой барьер, затрудняющий транспортировку разряжающихся ионов к поверхности электрода.

Необходимо отметить, что выделение энергии в двойном электрическом слое достигает значительных величин за достаточно короткий промежуток времени: температура может возрастать с 20 до 40.. .60 ° Сза5.. .10 с взави-симости от плотности тока [10].

Оценка выделившейся энергии в двойном электрическом слое произведена по формуле, предложенной в [11] для определения изменения температуры:

Д Т ■ ^ХЕ дэс^E t ,                 (2)

р C ’                     v v где X - удельная электропроводность раствора, См/м; Ед э с – напряженность двойного электрического слоя, В/м; Е – напряженность электрического поля, В/м; t – время процесса, с; р - плотность двойного электрического слоя, кг/м3; С – удельная теплоемкость двойного электрического слоя, Дж/(кг·К)

Предварительная оценка выделившейся энергии в двойном электрическом слое по формуле (2) показала, что для обычной водопроводной воды, в зависимости от материала электродов и режима нагрева, она составляет 0,03…103 кДж/моль

Необходимо указать, что приведенная выше оценка для процессов на переменном токе не совсем корректна, так как формула (2) дана для расчета изменения температуры при постоянном токе, однако она характеризует динамику изменения тепловыделения в двойном электрическом слое в зависимости от внешних воздействий

Нагрев за счет вихревых явлений. Под действием электромагнитных полей в водных средах как в объеме, так и на границе «жидкость–электрод», возникают конвекционные эффекты, обусловленные объемными силами негидродинамической природы (например, разностью плотностей), позволяющие управлять процессами мас-сообмена в пограничных слоях в области межфазных границ

По данным [12], в макрообъемах при минимальной силе тока возникает конвекция жидкости и вихревые потоки, причем их скорость увеличивается с ростом силы этого тока

Согласно гипотезе Ю А Колясникова о структуре воды [13], те обрывки цепочек из тетрамеров (H₂O)₄, которые всегда имеются в жидкой воде, при ее быстром и неравномерном течении в пространстве должны выстраиваться и вытягиваться вдоль линий тока воды, как вытягива-ютсяводоросливрекевдольеетечения, т е иххаотичное расположение сменяется на упорядоченное При этом вероятность того, что концы цепочек тетрамеров случайно столкнутся друг с другом и соединятся свободными водородными связями, возрастает втрое по сравнению с неупорядоченным расположением Это следует из законов геометрии А каждая вновь образованная водородная связь – это 0,26…0,5 эВ ( ~ 25…48 кДж/моль) энергии, выделяющейся из воды В вихревом потоке такие цепочки, имеющие винтовую структуру, должны упорядочиваться и сцепляться еще быстрее, чем в прямолинейном, чему способствуют линии тока воды Вихревое движение воды выстраивает обрывки цепочек тетрамеров воды параллельно друг другу, что облегчает сцепление для их концов и полимеризацию воды без ее охлаждения Такая полимеризация сопровождается выделением энергии связи между тетрамерами в виде излучений и тепла

Обобщая приведенные выше рассуждения о механизме нагрева воды и водных растворов при воздействии переменного электромагнитного поля, можно отметить следующее:

– процесс нагрева является комплексным Ни один из рассмотренных выше механизмов нельзя назвать основным при нагреве в силу специфичности воды, уникальности и непостоянства ее свойств даже в относительно короткий промежуток времени;

– в структуре воды происходят разнонаправленные процессы: образование новых структур под действием поляризации с выделением тепла и их разрушение с поглощением тепла

Моделирование процесса энергосберегающего нагрева воды и водных растворов позволитвыявить основные факторы, влияющие на процесс, а за счет специфики структуры и режимов нагрева воды и водных растворов добиться экономии затрат энергии