НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ Канарёв Ф.М. Анонс.

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
Канарёв Ф.М.
Анонс. Наибольший интерес представляют нелинейные энергетические процессы, из которых можно извлекать дополнительную энергию, используя эту нелинейность. Большая
часть таких процессов связана с электричеством. Приборы же измеряющие электрическую энергию созданы только для линейных энергетических процессов, поэтому искажают учет её нелинейного расхода. Как обнаружить это искажение и устранить его?
Главная причина создавшегося положения заключается в том, что в основу устройства приборов, показывающих величины напряжения U и тока I положен линейный закон Ома, учитывающий линейно меняющееся сопротивление R
I
U
.
R
(1)
На заре рождения и использования электричества большая часть его потребителей
имела линейно меняющиеся сопротивления R . Тогда проблем точности учета электроэнергии не возникало. Они появились, когда началось освоение потребителей электрической энергии с нелинейно меняющимся сопротивлением и усилились при попытке использовать импульсные потребители электроэнергии. Наиболее ярким нелинейным энергетическим процессом является плазмоэлектролитический процесс. Он возникает при
электролизе воды в условиях, когда площадь катода в десятки раз меньше площади анода
(рис. 1, a, b).
b)
а) Патент № 2256006
Рис. 1. а) модель плазмоэлектролитической ячейки;
b) плазмоэлектролитическая ячейка в действии
Главной характеристикой плазмоэлектролитического процесса является его вольтамперная характеристика, в которой отражена зависимость изменения тока от напряжения, то есть – фактически закон Ома.
На рис. 2 представлена вольтамперная характеристика плазмоэлектролитической
ячейки, работавшей с одномолярным раствором соляной кислоты HCl. Как видно (рис. 2),
при повышении напряжения до 40В линейно, в соответствии с законом Ома (1), растет
сила тока (рис. 2). Затем, при напряжении более 40В линейность изменения тока
нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 - 6) сила тока уменьшается
скачкообразно и у катода появляется яркое свечение (рис. 1, b) - плазма. Дальнейшее
принудительное уменьшение напряжения (точки 7 - 8) незначительно изменяет силу то-
2
ка. При напряжении около 60 Вольт (точки 8 - 9) свечение у катода исчезает, сила тока
скачкообразно увеличивается почти до прежней величины [1].
Рис. 2. Вольтамперная характеристика плазмоэлектролитической ячейки
Вольтамперная характеристика индивидуальна для каждой ячейки и режима её работы. Она зависит от конструктивных параметров ячейки, используемых материалов катода
и анода, концентрации и химического состава раствора, а также от его расхода (рис. 3).
Влияние расхода раствора KOH на вольтамперную характеристику представлено на
рис. 3. Во всех трех группах экспериментов устойчивая плазма у катода появляется при
напряжении около 100 Вольт и исчезает при понижении напряжения до 85 Вольт. В период существования плазмы наблюдался интенсивный выход парогазовой смеси.
Рис. 3. Вольтамперные характеристики плазмоэлектролитического процесса при расходе
раствора КОН: 1 – 3,6 л/ч; 2 – 8,2 л/ч; 3 – 12,2 л/ч
Зависимость между изменением тока и напряжения (рис. 2) линейна в интервале
изменения напряжения от нуля до 43В, примерно. В этом диапазоне чётко работает закон
Ома (1) и чётко определяется величина средней мощности, реализуемой на этот процесс.
При большем напряжении линейная зависимость между напряжением и током исчезает и
нарушается работа линейного закона Ома (1). Нелинейную зависимость между напряжением и током невозможно описать классическим законом Ома (1). А как же тогда учитывать электрическую энергию, потребляемую в этом случае, если приборы для измерения напряжения и тока базируются на линейном изменении напряжения и тока, следующего из линейного закона Ома? Можно ли доверять в таких случаях показаниям приборов?
Специалисты давно заметили, что на отдельных участках электрической цепи
теряется линейная зависимость между током и напряжением, и начали вводить математи-
3
ческие модели для описания нелинейных процессов. Но их разнообразие оказалось
настолько большим, что исключается возможность получения единой математической
модели для их описания. За решение проблемы взялись математики. Они выразили закономерность изменения напряжения в виде функции U (t ) , а закономерность изменения тока в виде функции I (t ) . В результате формула для расчёта средней величины мощности
приняла вид
T
T
1
1
I
PC   P(t )dt   U (t )dt  I (t )dt  PC  U C  A ,
T0
T0
SI
(2)
Однако, в реальности закономерности изменения напряжения и тока оказываются
настолько сложными (рис. 4 и 5), что полностью исключается возможность их аналитического описания, поэтому процесс аналитического решения уравнения (2) заменяется процессов его графического интегрирования. Суть его заключается в том, что измеряются ординаты функций напряжения U (t ) (рис. 4) и, соответствующие им ординаты функции тока I (t ) . Затем эти ординаты перемножаются и их произведения складываются. При этом
учитывается количество произведений за заданный промежуток времени. Потом сумма
произведений ординат делится на количество этих произведений и в результате получается величина средней мощности PC (2). Сразу возникает вопрос: каким образом в знаменателе конечного выражения формулы (2) появляется скважность импульсов тока S I ?
Прежде чем искать ответ на этот вопрос, обратим внимание на особенности осциллограмм, представленных на рис. 4 и 5.
На рис. 4, 5 и 6 представлены осциллограммы напряжения, тока и мощности, снятые на клеммах плазмоэлектролитической ячейки. Конечно, средние значения напряжения
и тока, представленные на осциллограммах (рис. 4 и 5), можно получить с помощью электронной математической программы, базирующейся на уравнении (2). Такие программы
давно существуют и позволяют получать указанные значения напряжения и тока, и определять среднюю величину мощности. Электронная программа автоматически выдаёт
среднюю величину мощности PC . На рис. 6 она представлена сплошной жирной линией с
ординатой, примерно, равной 0,80кВт.
Мы уже доказали теоретически и экспериментально, что математическая модель
(2) содержит грубейшую физическую ошибку, которая искажает величину средней мощности в количество раз, равное скважности импульсов напряжения. Однако, о какой
скважности импульсов напряжения (рис. 4) можно говорить, если оно изменяется непрерывно и не принимает нулевых значений?
Другое дело, ток (рис. 5). Изменяясь хаотически, он принимает нулевые значения.
Это главное условие появления скважности импульсов. Каким же образом математическая
модель (2) обеспечивает достоверность средней мощности при непрерывно меняющемся
напряжении (рис. 4) и хаотически меняющемся токе (рис. 5)?
Поиск ответов на возникшие вопросы начнём с проверки соответствия формулы
(2) системе СИ, которая обусловлена необходимостью получения достоверной информации о правильном переводе электрической энергии в другие виды энергии, например, в
тепловую [3]. Чтобы проверка была наглядной, привяжем её к осциллограмме, снятой с
клемм аккумулятора, к которому подключена лампочка, потреблявшая энергию импульсами тока с амплитудами IA и импульсами напряжения с амплитудами UA (рис. 7). Когда
импульс тока исчезает, то напряжение на клеммах аккумулятора восстанавливается до
прежней величины и оно не участвует в формировании мощности, отбираемой у аккумулятора, до появления следующего импульса тока (рис. 7).
4
Рис. 4. Осциллограмма напряжения в сети питания плазмоэлектролитической ячейки
Рис. 5. Осциллограмма тока в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки
Рис. 6. Осциллограмма мощности в цепи питания плазмоэлектролитической ячейки
5
Рис. 7. Осциллограмма на клеммах аккумулятора при питании лампочки
импульсами напряжения и тока
Наличие в формуле (2) скважности SI импульсов тока IA означает, что его амплитудное значение растянуто до длительности периода T, что полностью соответствует понятию Ватт, заложенному в систему СИ. Отсутствие скважности SU импульсов напряжения UA в формуле (2) автоматически означает, что величина UA осталась не растянутой до длительности всего периода T и участвует в формировании мощности всей своей
величиной UA в течение всего периода, что искажает конечный результат в количество
раз, равное скважности импульсов SU напряжения. Это и есть фундаментальная физическая ошибка математиков, введённая ими в формулу (2) более 100 лет назад.
Чтобы результат перемножения импульсных значений напряжения и тока соответствовал системе СИ, надо действие напряжения и тока растянуть до длительности одной
секунды (рис. 7) [3]. Для реализации этой операции, давно введено понятие «скважность
импульсов». Если импульсы напряжения и тока прямоугольные (рис. 7), то их скважность
S равна отношению периода T следования импульсов к длительности τ импульса (рис. 7)
[3].
S=T/ τ .
(3)
Скважность импульсов напряжения SU может отличаться от скважности импульсов
тока SI. Тогда средние величины напряжения UC и тока IC, соответствующие понятию
Ватт, определяются по формулам:
U
(4)
UC  A ;
SU
I
(5)
IC  A .
SI
Из этого следует, что средняя импульсная мощность PC , соответствующая понятию Ватт, определится по формуле [1], [2], [3]
PC  U C  I C 
UA IA
U I
 ...åñëè...SU  S I  S ..,..òî ..PC  A 2 A .
SU  S I
S
(6)
6
Наличие в формуле (6) скважностей импульсов напряжения SU и тока SI подтверждает, что амплитуды напряжения UA и тока IA растянуты до значений, соответствующих непрерывному их действию в течение всего периода T (рис. 7). Значит, эта формула
(6) точно отражает физический смысл, заложенный системой СИ в понятие Ватт [3].
На рис. 7 хорошо видно, что величина напряжения участвует в формировании
мощности только в интервале длительности импульса τ и не участвует в интервале T-τ,
поэтому мы обязаны растянуть амплитуду (UA) её действия на весь период T. На рис. 7
чётко показано как вертикальный прямоугольник импульса напряжения с амплитудой UA
при растяжении на длительность всего периода T превращается в горизонтальный прямоугольник с амплитудой U C . Деление импульса тока с амплитудой I A на скважность импульсов S I превращает его вертикальный импульс с длительностью  в горизонтальный
прямоугольник с амплитудой I C и длительностью, равной длительности периода T. В результате длительность периода T заполняется действием напряжения со средней величиной U C и тока со средней величиной I C , что полностью соответствует системе СИ и
формула (2) для расчёта средней импульсной мощности принимает вид (6). Уже запатентована серия тепловых ячеек для реализации выявленного энергетического эффекта. На
рис. 8 – одна из них.
Рис. 8. Третья модель ячейки водоэлектрического
генератора тепла (Патент № 2258097)
Образцы осциллограмм
Рис. 9. Импульсы напряжения
Рис. 10. Импульсы тока
Результаты расчета параметров нелинейного предплазменного процесса генерирования тепла представлены в табл. 1. Этот процесс соответствует параметрам вблизи точки
5 на вольтамперной характеристике (рис. 1). Малейшее изменение его параметров или регулируемых параметров ячейки (рис. 8) мгновенно переводит его из предплазменного в
плазменное состояние и осциллограммы напряжения (рис. 9) и тока (рис. 10) теряют чёткую периодичность и превращаются в осциллограммы, подобные плазменным (рис. 4 и 5).
7
Таблица 1. Результатов испытаний предплазменной тепловой ячейки, представленной на
рис. 8.
Показатели
1
2
3
Сред.
1-масса раствора, прошедшего через ячейку m , кг.
0,470 0,432 0,448 0,450
22
22
22
22
2-температура раствора на входе в ячейку t1 , град.
66
66
65
65,67
3-температура раствора на выходе из ячейки t 2 , град.
44
44
43
43,67
4-разность температур раствора t  t 2  t1 , град.
300
300
300
300
5-длительность эксперимента  , с
6-показания вольтметра V , В
4,50 4,50 4,50 4,50
4,47 4,47 4,47 4,47
6’- показания осциллографа V ' , В
7-показания амперметра I , А
2,1
2,1
2,1
2,1
7’- показания осциллографа I ' , А
2,2
2,2
2,2
2,2
8-расход электроэнергии по показаниям вольтметра и ам2,84 2,84 2,84 2,84
перметра E1  I V   , кДж
82,51 75,84 76,86 78,40
9-энергия нагретого раствора, E2  3,99  m  t , кДж
29,05 26,70 27,06 27,60
10-показатель эффективности ячейки K  E2 / E1
Мы уже привели экспериментальные доказательства ошибочности старого закона
(2) формирования средней импульсной мощности и достоверность нового закона (6) формирования этой мощности и не будем повторять их. Желающие могу познакомиться с
ними в источниках [1], [2], [4], [5].
Приведём вид осциллограммы напряжения (рис. 4), который она примет после обработки её новой программой, определяющей среднюю величину напряжения (рис. 11).
Как видно, ординаты напряжения, соответствующие нулевым значениям тока вырезаны из осциллограммы (рис. 5). Это эквивалентно неучастию их в процессе формирования мощности. При определении средней величины напряжения, ординаты с нулевыми
значениями напряжения войдут в общее количество ординат и при делении суммы ординат напряжения за заданный промежуток времени на общее количество ординат, в которое войдут и ординаты с нулевыми значениями напряжения, будет учтено неучастие ординат с нулевыми значениями напряжения в процессе формирования мощности или другими словами, в формуле (2) появится скважность импульсов напряжения SU и она будет
отражать реальный процесс формирования мощности при столь хаотическом изменении
тока (рис. 5). В результате средняя величина мощности будет меньше той, что показана на
рис. 6.
Конечно, если первичный источник электроэнергии - электростанция, то её владелец будет категорически возражать против такого учёта электроэнергии, так как его генератор вращается непрерывно и не бывает момента, чтобы на его клеммах напряжение равнялось бы нулю. Успокоим владельца электростанции. Описанная ситуация появится тогда, когда появятся новые счётчики электроэнергии и её импульсные потребители. Вот тогда, Вы, уважаемый владелец электростанции, установите расход газа, питающего турбину Вашего генератора при нулевом токе, то есть при отсутствии нагрузки. Когда будут
решаться вопросы о тарифах на электроэнергию, Вы потребуете учесть этот расход газа.
Вот и всё. Когда появятся массовые импульсные потребители электроэнергии, то реальный расход её определит величина тока. Она может быть в 2-3 раза меньше, чем сейчас.
Уважаемый владелец электростанции! Радуйтесь. Вы в два, три раза меньше будете покупать газа и сможете доказать, что в тариф на новый расход электроэнергии обязательно
надо включить расход газа на непрерывное генерирование напряжения при холостом ходе
вашего генератора. В результате Ваш доход не уменьшится, а расходы Ваших потребителей, владеющих импульсными потребителями Вашей электроэнергии, уменьшаться ми-
8
нимум в два раза. Разве это плохо для государства и - экологической обстановки в окрестностях Вашей электростанции?
Рис. 11. Осциллограммы напряжения и тока в цепи питания
плазмоэлектролитической ячейки
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как много сказано о необходимости экономии электроэнергии! Но когда появляется реальная возможность экономить её, то все делают вид, что её не существует. А проверка ведь элементарна. Сделать новый экспериментальный счётчик электроэнергии, правильно учитывающий её импульсный расход, и испытать его на новых экономных лампочках. Новый счётчик покажет, что истинная экономность этих лампочек больше почти
во столько же раз во сколько раз они меньше потребляют по старым счётчикам электроэнергии. Причина – экономные лампочки потребляют электроэнергию импульсами. При
наличии осциллограммы этих импульсов легко определить истинную экономичность таких лампочек. Эксперимент элементарен. Есть и другие более эффективные импульсные
потребители электроэнергии, которые можно использовать при испытании нового счётчика электроэнергии. Мы уже писали о них [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Канарёв Ф.М. Импульсная энергетика. Том II 15-го издания монографии «Начала физхимии микромира». http://www.micro-world.su/
2. Канарёв Ф.М. Новый закон формирования электрической мощности.
http://www.micro-world.su/ Папка «Статьи».
3. Бурдун Г.Д. Справочник по международной системе единиц (СИ). М. 1977. Издательство стандартов. 232 с.
4. Канарёв Ф.М. Глобальная физическая ошибка математиков.
9
http://www.sciteclibrary.ru/rus/avtors/k.html http://www.micro-world.su/
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10785.html
5. Канарёв Ф.М. Ближайшие перспективы бытовой энергетики.
http://www.micro-world.su/ Папка «Статьи».