МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА Российский патент 1998 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к производству электрической энергии и может быть использовано в электросиловых установках, осуществляющих преобразование тепловой энергии в электрическую. Особую важность это изобретение может обрести при создании мощной космической электростанции, где замкнутость цикла для рабочего тела установки имеет принципиальное значение.

Известен способ получения электрической энергии в Холловском МГД генераторе с неравновесной проводимостью [1], заключающийся в том, что при движении одноатомного газа, содержащего около 0,01% присадки щелочного металла, в поперечном магнитном поле МГД канала в нем происходит развитие электрического разряда, поддерживаемого индуцированным электрическим полем. Разряд в одноатомном газе является неравновесным, и в нем температура электронов оказывается значительно выше (T_e примерно 4000К) температуры газа (T_g примерно 1000К). При такой температуре электронов щелочной металл присадки оказывается полностью ионизованным и электропроводность плазмы σ , определяемая только ионизацией присадки, будет зависеть от температуры электронов как T-1/2e

. . Реализуемое здесь условие ∂σ/∂T_e< 0 определяет устойчивость разряда к развитию ионизационной неустойчивости. Недостатком данного способа является использование присадки, которую трудно ввести однородно в газовый поток, а затем провести глубокую очистку отработанного газа от присадки. Кроме того, в Холловском генераторе изэнтропийная эффективность процесса зависит от параметра Холла и для достижения удовлетворительных характеристик нужно, чтобы этот параметр был больше 10. Однако турбулентность сверхзвукового потока в канале МГД генератора не позволяет поднять параметр Холла выше 3.

Известен способ [2] получения электрической энергии в Фарадеевском МГД генераторе замкнутого цикла, включающий создание с помощью системы импульсного высоковольтного электрического разряда начальной ионизации в инертном газе, не содержащем присадку щелочного металла. Разрядник работает в периодическом режиме, и в результате в потоке газа появляется серия плазменных сгустков, обеспечивающих МГД взаимодействие газового потока с магнитным полем. Сам газовый поток остается неэлектропроводным, но, толкая плазменные слои в поперечном магнитном поле, он совершает работу и таким образом преобразует свою тепловую энергию в электрическую. Электропроводность плазменных слоев поддерживается за счет нагрева электронного газа электрическим током, протекающим в слоях.

При этом характер газового разряда в электропроводных слоях оказывается неравновесным, в том смысле, что температура электронов здесь значительно выше, чем в газе. Для создания электропроводности в этом способе используется механизм термической ионизации, который требует, чтобы температура электронов была выше порогового значения T_ion. При T_e>T_ion) возникает лавинообразное нарастание концентрации свободных электронов. Эти пороговые температуры различны для разных газов и, к примеру, для аргона T_ion примерно 3000, для гелия T_ion примерно 15000. Рассматриваемый способ является наиболее близким решением к цели настоящей заявки, поэтому выбираем его в качестве прототипа. Здесь удается избежать отмеченных в способе [1] недостатков, поскольку здесь нет щелочной присадки и сам тип МГД генератора является Фарадеевским.

Однако прототипу присущи свои недостатки, которые сделают его работу мало эффективной. В описанных условиях, как правило, концентрация электронов n_e меньше равновесного значения, определяемого из уравнения Саха. Повышение электронной температуры приведет к росту n_e и соответственно к росту электропроводности, т. е. здесь выполняется условие развития ионизационной неустойчивости ∂σ/∂T_e> 0 , которая резко снижает эффективность генераторного процесса. Кроме того, из опыта высоковольтных неравновесных газовых разрядов известно, что организация сильноточного однородного разряда, длительность которого >10^-5 с, практически не возможна, что ставит под сомнение возможность создания системы предварительной ионизации на основе такого разряда.

Целью изобретения является повышение устойчивости газо-плазменного потока к развитию ионизационной неустойчивости.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитогидродинамическом способе преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающего разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД генератора периодических по времени слоев с повышенной электропроводностью, перемещение и самоподдержание указанных слоев в канале МГД генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности, согласно данному изобретению для создания слоев с повышенной электропроводностью используют импульсные пучки электронов высокой энергии, мощность которых определяют из условия, n_e>n_саха(T_ion), где n_e - концентрация электронов в электропроводных слоях; n_саха равновесная концентрация электронов, определяемая из уравнения Саха; T_ion - пороговая температура, с которой начинается лавинообразная термическая ионизация, при этом электронную температуру в электропроводных слоях поддерживают в диапазоне: 4000K<T_e<T_ion, где T_e- температура электронов в электропроводных слоях. Рекомбинация в инертных газах обладает особенностью, состоящей в том, что при температуре электронов выше 4000K скорость рекомбинации резко уменьшается более чем в 100 раз по равнению с плазмой щелочных металлов. Таким образом, выполнение условия 4000К<T_e<T_ion позволяет затормозить процесс рекомбинации и сохранить неравновесную электропроводность в течение всего периода движения плазменного сгустка по МГД каналу. При этом в рекомбинирующей плазме выполняется условие ∂σ/∂T_e< 0 , которое позволяет подавить ионизационную неустойчивость.

На чертеже показано устройство для осуществления предложенного способа.

Устройство содержит сверзвуковое сопло 1, систему 2 импульсной инжекции электронного пучка, СВЧ-источник 3, электроды 4 канала МГД- генератора, обмотку 5 электромагнита, электропроводные слои плазмы 6, канал 7 МГД-генератора, систему 8 питания нагрузки, нагрузку 9.

Способ осуществляется следующим образом. Нагретый инертный газ (например, гелий), температура которого может выбираться из диапазона 1500K<T_g<З000К, разгоняют в сверхзвуковом сопле 1. Перед входом в канал МГД-генератора периодически с помощью системы 2 инжектируют пучок электронов высокой энергии (≈ 300 кэВ, при токе в пучке ≈ 1А), в результате чего в газовом потоке возникают неравновесные электропроводные плазменные слои. Для поддержания электронной температуры в диапазоне 4000 К<T_e<T_ion на входном участке канала, не содержащим магнитное поле, предусмотрен подвод электромагнитной энергии от СВЧ-источника 3. Далее газовый поток вносит электропроводные слои в МГД-канал 7, где при движении в поперечном магнитном поле, создаваемом обмоткой 5, возникает индуцированная ЭДС. Здесь поддержание электронной температуры в электронных слоях осуществляется за счет выделения тепла от протекания индуцированного тока, который регулируется системой питания 8. Полезная мощность выделяется в нагрузке 9.

Численное моделирование генераторного процесса, реализующего описанный способ, показало, что в гелии может быть реализован режим со следующими параметрами эффективности:
-степень преобразования энтальпии в электроэнергию - 42%,
-изэнтропийная эффективность (внутренний КПД) - 84%.

Установка с такими параметрами позволит создать МГД электростанцию с общим КПД более 60% в условиях земной энергетики, а в случае космического применения удельная мощность энергетической установки может составить примерно 3 кВт/кг, что примерно в сто раз выше, чем у используемых в настоящее время панелей солнечных элементов. Математическое моделирование показало также, что в генераторном процессе с неоднородным газо-плазменным потоком гелия отсутствуют эффекты ионизационной неустойчивости.

Источники информации:
1. T.Okamura, et al., "Review and New Results of High Enthalpy Extraction Experiments at Tokyo Institute of Technology," 32nd Symh. Engineering Aspects of MHD, Session 11, Pittsburgh, USA, Juntl994.

2. Slavin V.S., Zeiinsky N.I., Lazareva N.N" Persianov P.G. "Disk Closed Cycle MHD Generator with Faraday Type Channel Working on Pure Noble Gas", статья в сборнике трудов Международной конференции "11-th Intern. Conf. on MHD Electrical Power Generation", Vol.4, pp. 1190-1198, Академия наук Китая, Пекин, 1992.

Способ включает разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД-генератора периодических по времени слоев с повышенной электропроводностью, перемещение и самоподдержание таких слоев в канале за счет энергии потока. Слои с повышенной электропроводностью создаются с помощью импульсных пучков электронов высокой энергии. Мощность пучков определяется из условия: n_е > n_{с а х а} (_I o n), где n_е - концентрация электронов в слоях:
n_{с а х а} - равновесная концентрация электронов, определяемая из уравнения Саха; T_i o n - пороговая температура, с которой начинается лавинообразная термическая ионизация. Температура в электропроводных слоях Т_е поддерживается в диапазоне: 4000 К < Т_е < T_i o n. 1 ил.

Магнитогидродинамический способ преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающий разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД генератора периодических по времени слоев с повышенной электропроводностью, перемещение и самоподдержание указанных слоев в канале МГД генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности, отличающийся тем, что для создания слоев с повышенной электропроводностью используют импульсные пучки электронов высокой энергии, мощность которых определяют из условия
n_е > n_{С а х а}(T_i o n),
где n_е - концентрация электронов в электропроводных слоях;
n_{С а х а} - равновесная концентрация электронов, определяемая из уравнения Саха;
T_i o n - пороговая температура, с которой начинается лавинообразная термическая ионизация,
при этом электронную температуру в электропроводных слоях поддерживают в диапазоне 4000К < Те < T_i o n, где Те - температура электронов в электропроводных слоях.