ДЕТОНАЦИОННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА КРИШТОПА (ДЭУК) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДЭУК (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2023 года по МПК H02J15/00 H02K44/08 

Изобретение относится к области электроэнергетики и конкретно к тепловым энергетическим установкам с МГД генераторами, кинетическая энергия движения рабочего тела которых формируется реактивной энергией продуктов детонационного горения органического топлива. Вариант ДЭУК, работающей на природном газе, это практически абсолютно экологически чистая технология получения электроэнергии при высокоэффективном детонационном сжигании органического топлива, полностью исключающая вредные выбросы в атмосферу. При этом ДЭУК отличается многофункциональностью применения в различных областях техники и, например, может применяться в качестве гибридной силовой установки на любом виде наземного, водно-морского или воздушного гибридного электротранспорта, вплоть до широкофюзеляжных дальних магистральных электролайнеров. Очень перспективно применение ДЭУК в сочетании с установками возобновляемой альтернативной солнечной и ветроэнергетики. Также, в зависимости от размеров и мощности ДЭУК может применяться индивидуально в качестве тепловой электростанции для отдельных потребителей, начиная от отдельной индивидуальной квартиры, отдельных частного или многоквартирного дома, жилого микрорайона или отдельного предприятия, а также вплоть до многоблочных ДЭУК в составе тепловых электростанций любой промышленной мощности в составе объединенных энергосистем.

Из уровня техники известно, что высокоэффективное детонационное горение возникает при объемном взрыве, представляющем собой неконтролируемое выделение большого запаса энергии газовой или аэрозольной смеси горючих веществ и окислителя, заполняющих ограниченное пространство, при определенном соотношении горючего и окислителя и наличия инициирующего импульса в соответствии с Л[5,6].

Из уровня техники известен также магнитогидродинамический (МГД) генератор, представляющий собой устройство, преобразующее кинетическую энергию электропроводящего потока (например, щелочного электролита), движущегося в поперечном магнитном поле, в электроэнергию.

Также из существующего уровня техники известны современные тепловые электростанции, использующие «медленное» дефлаграционное обычное горение топлива, построенные по сложной многоступенчатой паросиловой схеме преобразования энергии сгорания топлива в электроэнергию: котел - турбина - электрогенератор, или по еще более сложной схеме парогазовой установки, которая состоит из двух отдельных блоков: паросилового и газотурбинного в соответствии с Л[7,8]. Недостатки указанных систем в отсутствии технической возможности более простого, непосредственно в одном корпусе энергоустановки, преобразования энергии сгорания топлива в электроэнергию, а также низкий КПД при использовании «медленного» дефлаграционного горения топлива вместо высокоэффективного «быстрого детонационного горения органического топлива.

Таким образом, остается актуальной задача создания тепловой энергоустановки, использующей схему последовательного преобразования энергии сгорания топлива, непосредственно в одном корпусе энергоустановки, в электрическую и тепловую энергию, при использовании высокоэффективного «быстрого» детонационного горения органического топлива.

Задачей достижения технического результата, на который направлено заявленное изобретение, является создание тепловой энергоустановки, использующей схему последовательного преобразования энергии сгорания топлива, непосредственно в одном корпусе энергоустановки, в электрическую и тепловую энергию, при использовании высокоэффективного «быстрого» детонационного горения органического топлива.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложена Детонационная энергетическая установка по пункту 1 формулы изобретения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложена Детонационная энергетическая установка по пункту 2 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Детонационной энергетической установки по пункту 3 формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3.

На чертеже Фиг. 1 представлена схема Детонационной энергетической установки (далее - ДЭУ), для наиболее предпочтительного экологически чистого варианта исполнения ДЭУ, в котором в качестве предпочтительного органического топлива используется природный газ, а в качестве рабочего тела МГД генератора может использоваться щелочной электролит на основе NaOH (далее - рабочее тело) при использовании соответствующих гидрофобных внутренних покрытий замкнутого герметичного кругового МГД канала с прямоугольной формой поперечного сечения, например тефлона, и медных электрических контактов, химически инертных к электролиту на основе NaOH, например, с постоянными магнитами и, снаружи внешней кольцевой поверхности, которого расположены, например, две реактивные камеры детонационного горения топлива, выходные реактивные сопла которых, направлены внутрь замкнутого герметичного кругового МГД канала под углом к поверхности, например шестнадцати лопаток колеса турбины, имеющего возможность вращения, а вся конструкция турбины выполнена из инертного к щелочи материала, например из фторопласта, с двумя наружными и двумя внутренними бандажами, а с восемью опорными роликами свободного вращения, установленными на каждой из лопаток колеса турбины. И также снаружи внешней кольцевой поверхности замкнутого герметичного кругового МГД канала используются, например, два устройства, например, сильфонного типа, для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания из замкнутого герметичного кругового МГД канала МГД генератора постоянного тока и, например, одна теплофикационная система, например, в виде любого известного типа теплообменника охлаждения, встроенного в наружный корпус замкнутого герметичного кругового МГД канала (на эскизе не показана), где: К1 - коммутационный аппарат для подключения электрических контактов плюс и минус цепи постоянного тока ДЭУ к энергосистеме +U- постоянного тока, 1 - первая реактивная камера детонационного горения топлива и направление ее реактивной струи, 2 - первое устройство для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания из замкнутого герметичного кругового МГД канала обратимой МГД электромашины постоянного тока, 3 - вторая реактивная камера детонационного горения топлива и направление ее реактивной струи, 4 - второе устройство для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания из замкнутого герметичного кругового МГД канала МГД генератора постоянного тока, 5 - трубопроводы теплофикационной системы в виде теплообменника охлаждения, встроенного в наружный корпус замкнутого герметичного кругового МГД канала и направления холодного водоснабжения (ХВС) и горячего водоснабжения (ГВС), 6 - корпус ДЭУ, выполненный в виде плоского цилиндра, в котором расположен МГД генератор постоянного тока с замкнутым герметичным круговым МГД каналом прямоугольного поперечного сечения, 7 - верхний, например кольцевой постоянный магнит в составе пары полюсов N и S, 8 - электрический контакт минус для цепи постоянного тока, выполненный, например, в виде кольца меньшего диаметра на внутренней боковой поверхности замкнутого герметичного кругового МГД канала, 9 - замкнутый герметичный круговой МГД канал, заполненный рабочим телом МГД генератора постоянного тока ДЭУ, 10 - электрический контакт плюс для цепи постоянного тока, выполненный, например, в виде кольца большего диаметра на внутренней боковой поверхности замкнутого герметичного кругового МГД канала, 11 - нижний, например кольцевой постоянный магнит в составе пары полюсов N и S.

На чертеже Фиг. 2 представлены предпочтительный вариант исполнения устройств для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания 2 и 4 в ДЭУ Фиг. 1 из замкнутого герметичного кругового МГД канала 9 МГД генератора постоянного тока, например сильфонного типа, где: 13 - герметичный сильфон, на верхнем подвижном торце которого установлен клапан 12 для выпуска газовых продуктов сгорания, а к нижнему неподвижному торцу которого жестко подключены трубопровод 14 удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания из верхней части замкнутого герметичного кругового МГД канала 9 и дренажный трубопровод 20 для возврата конденсата водяного пара в нижнюю часть замкнутого герметичного кругового МГД канала 9, а также предпочтительный вариант исполнения реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3 Фиг. 1, например, с шарообразной камерой детонационного горения, где: 17 - шарообразная камера детонационного горения, 18 - форсунка подачи природного газа и 15 - форсунка подачи сжатого воздуха системы подачи топливовоздушной смеси, 16 - детонационная трубка инициирующего импульса устройства запуска процесса детонационного горения, 19 - выходное реактивное сопло, имеющее предпочтительную изогнутую форму для формирования, под действием реактивной струи, вращения колеса турбины, имеющего возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом, который является рабочим телом, МГД генератора постоянного тока, преобразующего кинетическую энергию вращения рабочего тела в электроэнергию.

На чертеже Фиг. 3 представлена схема (эскиз -3/1-) колеса турбины, вращающегося вместе с электропроводным щелочным электролитом внутри замкнутого герметичного кругового МГД канала 9, МГД генератора постоянного тока ДЭУ и схема (эскиз -3/2-) лопатки колеса турбины, выполненной, например, из фторопласта с, например, четырьмя наружными и внутренними бандажами и, например, с восемью опорными роликами свободного вращения на каждой лопатке турбины, где: 21 - опорные ролики свободного вращения, 22 - внутренние бандажи колеса турбины, имеющей возможность вращения, 23 - наружные бандажи колеса турбины, имеющей возможность вращения, 24 - лопатки колеса турбины, имеющей возможность вращения.

Работа описанного предпочтительного варианта исполнения ДЭУ по схемам Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 осуществляется следующим образом. В исходном состоянии замкнутый герметичный круговой МГД канал 9 заполнен щелочным электролитом - рабочим телом МГД генератора постоянного тока ДЭУ и при этом выходные реактивные сопла 19 реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3, имеющие предпочтительную изогнутую форму, также заполнены электролитом почти до границы шарообразной камеры детонационного горения 17, а в верхней части замкнутого герметичного кругового МГД канала 9 должна оставаться воздушная прослойка, объем которой должен незначительно превышать общий объем щелочного электролита в выходных реактивных соплах 19, реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3 (это требование актуально для всех других вариантов исполнения ДЭУ), а циркуляция теплоносителя в трубопроводах 5 теплофикационной системы в виде теплообменника охлаждения, встроенного в корпус замкнутого герметичного кругового МГД канала отключена. Герметичный сильфон 13 устройств для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания 2 и 4 находится без избыточного давления водяного пара и газовых продуктов сгорания, под нормальным атмосферным давлением при открытом клапане 12 для выпуска газовых продуктов сгорания и соответственно верхний подвижный торец герметичного сильфона 13 опущен максимально близко к нижнему неподвижному торцу герметичного сильфона 13. Реактивные камеры детонационного горения топлива 1 и 3, например с шарообразной камерой детонационного горения 17 с форсунками подачи природного газа 18, форсунками подачи сжатого воздуха 15 системы подачи топливовоздушной смеси, и детонационной трубкой инициирующего импульса устройства запуска процесса детонационного горения готовы к работе, при отключенном положении коммутационного аппарата К1 для подключения электрических контактов плюс и минус цепи постоянного тока МГД генератора постоянного тока ДЭУ, например, к энергосистеме +U- постоянного тока. Для процесса запуска в работу ДЭУ закрывают клапан 12 и включают циркуляцию теплоносителя в трубопроводах 5 теплофикационной системы в виде теплообменника охлаждения, встроенного в корпус замкнутого герметичного кругового МГД канала. Затем, для предпочтительного режима одновременной работы реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3 через форсунки подачи природного газа 18 и форсунки подачи сжатого воздуха 15 подают топливовоздушную смесь, хорошо перемешиваемую в шарообразных камерах детонационного горения 17 обеих реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3, например, для смеси природного газа с воздухом в пределах доли природного газа 3,80 -17,0%, когда создаются условия для образования объемного взрыва в соответствии с Л[5,6]. Затем производят в них одновременно инициирующие импульсы от детонационных трубок 16 устройств запуска процесса детонационного горения. После детонационных взрывов, одновременным действием реактивных струй смеси электролита и выхлопных газов из выходных реактивных сопел 19 реактивных камер детонационного горения топлива 1 и 3 на лопатки колеса турбины, имеющей возможность вращения, приводится во вращение колесо турбины вместе с щелочным электролитом внутри замкнутого герметичного кругового МГД канала 9 - рабочим телом МГД генератора постоянного тока ДЭУ. Так как масса щелочного электролита, вращающегося внутри замкнутого герметичного кругового МГД канала 9 соизмерима с массой маховика, например в ДВС, а циклы детонационного горения в реактивных камерах детонационного горения топлива 1 и 3 повторяются с постоянной частотой, то таким образом обеспечивается равномерное вращение жидкого рабочего тела в герметичном МГД канале с постоянной во времени угловой скоростью, достаточной для работы МГД генератора постоянного тока ДЭУ в соответствии с Л[1,2,3]. При этом будет улавливаться углекислый газ, образующийся при сгорании природного газа в выхлопных газах, и проходя через водный раствор щелочного электролита, будет претерпевать следующие химические реакции: CO2+H2O <-> Н2СО3

Н2СО3+NaOH -> NaHCO3+H2O Н2СО3+2NaOH(изб) -> Na2CO3+2H2O

И таким образом, будет происходить первичное улавливание углекислого газа из газовых продуктов сгорания с образованием водорастворимой соли Na2CO3 (карбоната натрия) без ухудшения электролитических свойств, изменяющегося по составу электролита, с образованием в верхней части замкнутого герметичного кругового МГД канала водяного пара и газовых продуктов сгорания, которые под избыточным давлением поступают через трубопровод 14 удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания в полость герметичного сильфона 13, растягивая его объем до максимального, когда открывается клапан 12 выпуска газовых продуктов сгорания в атмосферу, а водяной пар конденсируется на внутренней поверхности гофра герметичного сильфона 13 под действием естественного или принудительного охлаждения вентиляторами внешней поверхности гофра герметичного сильфона 13. Конденсат водяного пара возвращается по дренажному трубопроводу 20 для возврата конденсата водяного пара в нижнюю часть замкнутого герметичного кругового МГД канала 9. Для полной очистки газовых продуктов сгорания на трубопроводе после клапана 12 выпуска в атмосферу газовых продуктов сгорания могут устанавливаться дополнительные фильтры поглощения CO2, например на основе моноэтаноламина, который абсорбирует только CO2 с эффективностью улавливания CO2 85-95%, и таким образом достигается высокая экология ДЭУ. После достижения таким образом, номинальной частоты вращения щелочного электролита - рабочего тела МГД генератора постоянного тока ДЭУ, включается коммутационный аппарат К1 для подключения электрических контактов плюс и минус цепи постоянного тока ДЭУ к отдельному потребителю электроэнергии или к энергосистеме +U- постоянного тока. Таким образом, энергия детонационного сгорания органического топлива в ДЭУ непосредственно в одном корпусе энергоустановки последовательно трансформируется в электрическую энергию постоянного тока на выводах электрических контактов плюс и минус для цепи постоянного тока и тепловую энергию через циркуляцию теплоносителя в трубопроводах 5 теплофикационной системы в виде теплообменника охлаждения, встроенного в корпус замкнутого герметичного кругового МГД канала. При этом щелочной электролит и дополнительный фильтр поглощения CO2 являются расходными материалами, замена которых осуществляется в соответствии с техническим регламентом завода изготовителя по учитываемому часовому ресурсу работы ДЭУ, аналогично, как по пробегу в двигателях внутреннего сгорания меняется отработанное моторное масло и другие технические жидкости и компоненты при плановых регламентных технических обслуживаниях.

Алгоритм работы других вариантов исполнения ДЭУ, работающих на другом виде органического топлива, с другим составом рабочего тела и с другой формой поперечного сечения замкнутого герметичного кругового МГД канала и вариантами применения пар полюсов N и S электромагнита и/или постоянного магнита, а также с другими вариантами исполнения устройств реактивных камер детонационного горения топлива, устройств для удаления водяного пара и газовых продуктов сгорания из замкнутого герметичного кругового МГД канала МГД генератора постоянного тока и разных видов теплофикационных систем - аналогичен, вышеописанному, по схемам Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3, что позволяет получить высокий экономический и экологический эффект, при использовании на электрическом и гибридном транспорте, в альтернативной возобновляемой и в традиционной большой и малой энергетике. Благодаря вышеперечисленному, в изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании ДЭУ, использующей схему последовательного преобразования энергии сгорания топлива, непосредственно в одном корпусе энергоустановки, в электрическую и тепловую энергию, при использовании высокоэффективного «быстрого» детонационного горения органического топлива.

Список литературы

1. Ашкинази Л. МГД-генератор //Квант, 1980, №11, С. 2-8.

2. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Изд-во МИР, 1964. 80 с.

3. Роза Р. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. М.: Мир, 1970, 286 с. В.А. Левин и др.

4. А.А. Васильев. Особенности применения детонации в двигательных установках, с. 129, 141-145.

5. Ф.А. Быковский и др. Инициирование детонации в потоках водородно-воздушных смесей, с. 521-539 / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, М., 2006).

6. Инициирование газовой детонации электрическими разрядами / Импульсные Детонационные Двигатели. Под редакцией д.ф.м.н. С.М. Фролова. ТОРУС-ПРЕСС, 2006, М., с. 235-254.

7. Зысин В.А., Комбинированные парогазовые установки и циклы, М. - Л., 1962.

8. Зысин Л.В., Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции: учебное пособие. СПб.: Изд.-во Политехн. ун-та, 2010. - 368 с.

9. А.А. Андрижиевский, Механика жидкости и газа: учебное пособие для студентов учреждений высшего образования, Минск, БГТУ, 2014, - 219 с.

10. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В., Проблемы гидродинамики и их математические модели, §31. Подводный взрыв, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973 г.

Изобретение относится к области электроэнергетики и конкретно к тепловым энергоустановкам с МГД генераторами, кинетическая энергия движения рабочего тела которых формируется энергией детонационного горения органического топлива. Детонационная энергетическая установка содержит МГД генератор постоянного тока, с замкнутым герметичным круговым МГД каналом, содержащим электрические контакты плюс и минус для цепи постоянного тока, а также электромагнит и/или постоянный магнит. Внутреннее пространство замкнутого герметичного кругового МГД канала заполнено электропроводным щелочным электролитом. Внутри канала также расположено колесо турбины, имеющее возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом. Снаружи замкнутого герметичного кругового МГД канала расположены как минимум две реактивные камеры детонационного горения топлива. Выходные реактивные сопла камер направлены внутрь замкнутого герметичного кругового МГД канала под углом для формирования кругового движения вращения колеса турбины, имеющего возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом - рабочим телом МГД генератора постоянного тока. МГД канал включает в себя также как минимум одно устройство для удаления водяного пара и воздуха из замкнутого герметичного кругового МГД канала и как минимум одну теплофикационную систему, включающую в себя как минимум одно устройство системы охлаждения корпуса замкнутого герметичного кругового МГД канала. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Детонационная энергетическая установка, характеризующаяся тем, что содержит МГД генератор постоянного тока, с замкнутым герметичным круговым МГД каналом, содержащим электрические контакты плюс и минус для цепи постоянного тока, которые имеют возможность подключения к отдельной электрической сети постоянного тока и/или к цепи электрической нагрузки отдельного потребителя постоянного тока или к объединенной энергосистеме постоянного тока, а также пару полюсов N и S электромагнита и/или постоянного магнита, магнитный поток которого перпендикулярен направлению тока между электрическими контактами плюс и минус в цепи постоянного тока, и при этом внутреннее пространство замкнутого герметичного кругового МГД канала заполнено электропроводным щелочным электролитом, который является рабочим телом, МГД генератора постоянного тока, с замкнутым герметичным круговым МГД каналом, внутри которого также расположено колесо турбины, имеющее возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом, выполненное из инертного к щелочи материала, с наружными и внутренними бандажами, на которых неподвижно закреплены как минимум четыре лопатки, на каждой из которых установлены как минимум четыре опорных ролика свободного вращения, а снаружи замкнутого герметичного кругового МГД канала расположены как минимум две реактивные камеры детонационного горения топлива, каждая из которых содержит систему подачи топливовоздушной смеси и устройство запуска процесса детонационного горения при объемном взрыве, а выходные реактивные сопла которых направлены внутрь замкнутого герметичного кругового МГД канала под углом для формирования кругового движения вращения колеса турбины, имеющего возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом - рабочим телом МГД генератора постоянного тока, под действием струи продуктов детонационного горения из выходных реактивных сопел, внутри замкнутого герметичного кругового МГД канала, который при этом включает в себя также как минимум одно устройство для удаления водяного пара и воздуха из замкнутого герметичного кругового МГД канала МГД генератора постоянного тока и как минимум одну теплофикационную систему, включающую в себя как минимум одно устройство системы охлаждения корпуса замкнутого герметичного кругового МГД канала.

2. Детонационная энергетическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что включает в себя гидрофобные покрытия для электропроводного щелочного электролита внутри замкнутого герметичного кругового МГД канала, а электрические контакты плюс и минус для цепи постоянного тока выполнены из электропроводного металла, химически стойкого к щелочному электролиту.

3. Способ функционирования детонационной энергетической установки по любому из пп. 1, 2 (далее - ДЭУ), заключающийся в том, что периодически подают газовую и/или аэрозольную смеси горючих веществ и окислителя, заполняющих ограниченное пространство реактивных камер детонационного горения топлива ДЭУ, при определенном соотношении горючего и окислителя по условиям образования процесса детонационного горения при объемном взрыве, когда при наличии инициирующего импульса, происходит выделение большого запаса энергии, в виде тепловой энергии, которая утилизируется теплофикационной системой ДЭУ, и в виде энергии струи продуктов детонационного горения из выходных реактивных сопел, которая при воздействии на лопатки колеса турбины, имеющей возможность вращения вместе с электропроводным щелочным электролитом - рабочим телом МГД генератора, последовательно преобразуется в кинетическую энергию вращения электропроводного щелочного электролита, который является рабочим телом МГД генератора постоянного тока, с замкнутым герметичным круговым МГД каналом, и которая затем непосредственно прямым действием МГД генератора постоянного тока преобразуется в электроэнергию выходного напряжения на электрических контактах плюс и минус МГД генератора постоянного тока непосредственно в одном корпусе ДЭУ, для передачи электроэнергии отдельным потребителям и/или в общую энергосистему постоянного тока.