Способ магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла и варианты устройств для его осуществления Российский патент 2023 года по МПК H02K44/08 

Группа изобретений относится к производству электрической энергии и может быть использована в электросиловых установках, осуществляющих преобразование тепловой энергии в электрическую.

Известен аналог – способ безмашинного преобразования тепловой энергии в электрическую – заявка на изобретение РФ №2007137801, 20.04.2009, который состоит в том, что в качестве рабочего тела применяют инертный газ – аргон, осуществляют его циркуляцию через реактор на быстрых нейтронах и магнитногидродинамический (МГД) генератор, где индукционным способом с помощью бегущего магнитного поля получают переменный ток частотой 50 Гц, питающей сеть, далее рабочее тело Ar охлаждают в теплофикационном охладителе подогревателя и с помощью МГДН-насосов подают снова в реактор. В качестве рабочего тела тепловой машины по циклу Брайтона и МГД-генератора, как её составной части, используют ионизированный в активной зоне ядерного реактора инертный газ. Недостатком аналога является то, что способ применим только в ядерных установках, что ограничивает его область применения и сдерживает внедрение.

Известен наиболее близкий аналог способа – способ магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла – RU2226737, 29.03.2002, принятый в качестве прототипа способа, включающий разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД-генератора с помощью импульсных пучков электронов высокой энергии периодических по времени электропроводных слоев, перемещение и самоподдержание энергии электропроводных слоев в канале МГД-генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности, отличающийся тем, что для создания электропроводных плазменных слоев, находящихся в состоянии "замороженной ионизации", используют электронные пучки только для начальной ионизации, а окончательную ионизацию осуществляют с помощью импульсного сильноточного разряда, которым однородно повышают концентрацию электронов в предварительно ионизованном электропроводном слое.

Известен близкий аналог устройства – устройство магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла – RU2226737, 29.03.2002, принятое в качестве прототипа первого варианта устройства, содержащее МГД-генератор с проходящим через него каналом для протекания газа, генератор пучков электронов через поток газа в виде ускорителя для ионизации газа, средство для перемещения и самоподдержания потока газа, средство для снятия полезной мощности.

Известен близкий аналог устройства – устройство преобразования тепловой энергии в электрическую – RU166131, 06.20.2015, принятое в качестве прототипа второго варианта устройства, содержащее акустический резонатор цилиндрической формы, внутри которого размещены регенератор и прилегающие к его торцам теплообменники подвода и отвода тепла и вспомогательный теплообменник, имеющие внутреннее продольное отверстие для пульсационной трубы, расположенной коаксиально внутри корпуса акустического резонатора, имеющего оптически прозрачную часть и концентратор лучистой энергии, нагрузку, преобразующую акустическую энергию в электрическую. В устройстве применяется термоакустический цикл Стирлинга, где механические колебания рабочего тела преобразуются в электрические с помощью линейного генератора.

Первым недостатком прототипов способа и первого устройства является невысокий общий КПД процесса, так как энергия расходуется на поддержание ионизации. Вторым недостатком прототипов является сложность технической реализации, так как требуется применение ускорителя электронов и высоковольтного источника питания, что ограничивает его область применения и сдерживает внедрение. Третьим недостатком прототипов является отсутствие эффективного средства его реализации в части проведения этапа сжатия газа для возврата в цикл. Использование МГД-компрессора для этого не подходит по причине того, что ионизация не сохраняется длительное время.

Недостатком прототипа второго варианта устройства является низкий КПД, так как в нем имеются механически движущиеся части.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в создании способа и устройств магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, характеризующихся простотой и компактностью конструктивного исполнения, и энергетической эффективностью.

Технический результат достигается в способе магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающем создание потока рабочего тела, пропускание потока рабочего тела через поле, создаваемое магнитной системой магнитогидродинамического (МГД) генератора и через электроды, находящиеся в поле МГД генератора для снятия электрической мощности, поток рабочего тела создают в замкнутом контуре с обеспечением его циркуляции или акустических колебаний, в качестве рабочего тела применяют раствор щелочного металла в аммиаке или амине, который доводят до состояния сверхкритического флюида.

Технический результат достигается в первом варианте устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, содержащем рабочее тело, нагреватель, холодильник, средство для создания потока рабочего тела, магнитную систему магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды, расположенные в поле МГД генератора для снятия электрической мощности, имеется замкнутый контур циркуляции для циркуляции потока рабочего тела, состоящий из каналов, канал МГД-генератора является дисковым, вход дискового канала МГД-генератора соединён с нагревателем, а выход - с холодильником, между холодильником и нагревателем расположен индукционный компрессор, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела, канал индукционного компрессора выполнен так, что его площадь уменьшается от входа к выходу, при этом вход канала МГД-генератора расположен коаксиально каналу компрессора, а вышеописанные части устройства размещены в корпусе, выдерживающем давление рабочего тела, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

Технический результат достигается во втором варианте устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, содержащем рабочее тело, нагреватель, регенератор, холодильник, магнитную систему магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды, расположенные в поле МГД генератора для снятия электрической мощности, имеется замкнутый контур циркуляции для циркуляции акустических колебаний рабочего тела, канал МГД-генератора соединён с одной стороны с нагревателем, а с другой стороны через резонатор с холодильником и регенератором, размещённым между холодильником и нагревателем, при этом площадь сечения канала МГД-генератора меньше, чем площадь сечения канала в остальном контуре, а канал от МГД-генератора к нагревателю расположен коаксиально каналу резонатора, а все вышеописанные части устройства размещены в корпусе, выдерживающем давление рабочего тела, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

В качестве средства для создания потока рабочего тела в первом варианте устройства может быть использован центробежный МГД-компрессор.

Выходной канал дискового МГД-генератора может быть соединён с холодильником через регенеративный теплообменник, передающий сжатому в компрессоре рабочему телу часть теплоты.

Канал полости резонатора между холодильником и МГД-генератором во втором варианте устройства может быть выполнен в виде однозаходной или многозаходной спирали, расположенной коаксиально с каналом, соединяющей МГД-генератор и нагреватель.

Второй вариант устройства может содержать несколько модулей, размещённых в общем корпусе, состоящих из нагревателя, регенератора и холодильника, последовательно объединённых общим каналом, при этом нагреватель первого и последующих модулей соединён с холодильником следующего модуля, а нагреватель последнего модуля соединён с холодильником первого через канал МГД-генератора.

На фиг.1 изображен первый вариант устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла.

На фиг.2 изображен второй вариант устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла.

На фиг.3 изображено сечение А-А (с фиг.2) второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла в зоне расположения МГД генератора и электродов.

На фиг.4 изображено сечение В-В (с фиг.2) второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла в зоне расположения холодильника.

На фиг.5 изображено второе исполнение первого варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла.

На фиг.6 изображено третье исполнение первого варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла.

На фиг.7 изображено второе исполнение второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла.

На фиг.8 изображено третье исполнение второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающее несколько контуров термоакустического двигателя.

На фиг.9 изображено сечение Г-Г (с фиг.8) третьего исполнения второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла в зоне расположения МГД-генератора и электродов.

На фиг.10 изображено сечение Д-Д (с фиг.8) третьего исполнения второго варианта устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла в зоне расположения нагревателей.

Первый вариант устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, изображенный на фиг.1, содержит рабочее тело 1, нагреватель 2, холодильник 3, средство 4 для создания потока рабочего тела 1, магнитную систему 5 магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды 6, расположенные в поле МГД генератора 5 для снятия электрической мощности, имеется замкнутый контур циркуляции 7 для циркуляции потока рабочего тела 1, состоящий из каналов, канал 8 МГД-генератора является дисковым, вход дискового канала 8 МГД-генератора соединён с нагревателем 2, а выход - с холодильником 3, между холодильником 3 и нагревателем 2 расположен индукционный компрессор 4, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела 1, канал индукционного компрессора 4 выполнен так, что его площадь уменьшается от входа к выходу, при этом вход канала МГД-генератора 8 расположен коаксиально каналу компрессора 4, а вышеописанные части устройства размещены в корпусе 9, выдерживающем давление рабочего тела 1, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом 1 является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

Второй вариант устройства магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, изображенный на фиг.2, содержит рабочее тело 1, нагреватель 10, регенератор 11, холодильник 12, магнитную систему 13 магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды 14, изображенные на фиг. 3, расположенные в поле МГД генератора 13 для снятия электрической мощности, имеется замкнутый контур циркуляции 15 для циркуляции акустических колебаний рабочего тела 1, канал МГД-генератора 13 соединён с одной стороны с нагревателем 10, а с другой стороны через резонатор 16 с холодильником 12 и регенератором 11, размещённым между холодильником 12 и нагревателем 10, при этом площадь сечения канала 17 МГД-генератора меньше, чем площадь сечения канала в остальном контуре, а канал 18 от МГД-генератора 13 к нагревателю 10 расположен коаксиально каналу резонатора 16, а все вышеописанные части устройства размещены в корпусе 19, выдерживающем давление рабочего тела 1, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом 1 является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

В качестве средства 4 для создания потока рабочего тела 1 в первом варианте устройства может быть использован центробежный МГД-компрессор 20, как показано на фиг.5.

Выходной канал дискового МГД-генератора 8 может быть соединён с холодильником через регенеративный теплообменник 21, передающий сжатому в компрессоре рабочему телу часть теплоты, как показано на фиг.6.

Канал полости резонатора 16 между холодильником и МГД-генератором во втором варианте устройства может быть выполнен в виде однозаходной или многозаходной спирали 22, расположенной коаксиально с каналом, соединяющей МГД-генератор и нагреватель, как показано на фиг.7

Второй вариант устройства может содержать несколько модулей, размещённых в общем корпусе 23, как показано на фиг.8, состоящих из нагревателя 24, регенератора 25 и холодильника 26, последовательно объединённых общим каналом, при этом нагреватель первого и последующих модулей соединён с холодильником следующего модуля, а нагреватель последнего модуля соединён с холодильником первого через канал МГД-генератора 27. На фиг.9 изображены электроды генератора 28.

Рассмотрим примеры реализации устройств магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла. Замкнутый контур для циркуляции потока и внутренние поверхности корпусов 9, 19 изготовлены из жаропрочной стали. Нагреватель 2, 10 выполнен в виде газовой горелки, направленной на стенку корпуса в зоне расположения теплообменника. Электроды 6, 14, 29 изготовлены в виде металлических пластин, подключенных к электрической нагрузке проводами, пластины закреплены через диэлектрик к стенкам контура. Магнитная система 5, 13, 27 магнитогидродинамического (МГД) генератора выполнена в виде электромагнита, состоящего из двух обмоток, размещённых с двух сторон от канала дискового МГД-генератора, либо выполнена на постоянных магнитах, создаёт магнитное поле перпендикулярное каналу МГД-генератора. Индукционный компрессор 4 представляет из себя магнитогидродинамический насос (МГД-насос), создающий поток электропроводящей среды – рабочего тела 1 с помощью электромагнитной силы, которая возникает от взаимодействия магнитного поля индуктора с полем электрического тока, индуктируемого в проходящем через насос рабочем теле. Центробежный МГД-компрессор представляет из себя центробежный магнитогидродинамический насос (МГД-насос), создающий поток электропроводящей среды – рабочего тела с помощью центробежной силы, которая возникает от вращательного движения рабочего тела в канале насоса, которое вызывается взаимодействием магнитного поля в канале насоса с полем электрического тока, протекающего в проходящем через насос рабочем теле. Холодильник 3, 12, 26 выполнен в виде расположенных вдоль потока и радиально по поперечному сечению сосуда ребер, как показано на фиг.4. Ребра имеют большую площадь, чем остальные контактные поверхности контура. Благодаря этому осуществляют теплосъём с потока и выводят тепло наружу сосуда. Нагреватель выполнен аналогичным холодильнику образом, благодаря этому осуществляется подвод теплоты к рабочему телу. Регенератор 11 представляет собой камеру, заполненную проволокой либо пластинами, с зазором между ними, он служит регенератором двигателя Стирлинга, удерживая тепло в тёплой части контура, в то время как рабочее тело 1 охлаждается.

В качестве единого рабочего тела 1 применён сверхкритический флюид – раствор щелочного металла натрия (Na) в аммиаке, обладающий одновременно высокой электропроводностью и сжимаемостью, при температуре и давлении выше критического.

Магнитная система МГД-генератора и индукционного компрессора может располагаться как в корпусе 9, 19, так и вне его. Электроды 6, 14, 28 выполняются внутри канала, чтобы снимать ЭДС, возникающую в рабочем теле 1 при движении в магнитном поле.

Дисковый канал МГД-генератора является известным устройством. Он описан, например, в источниках: “Теплофизика высоких температур”, 1995, том 33, выпуск 4, страницы 641–648, “Прикладная механика и техническая физика”, 2013, т.54, №5, страница 81.

Рассмотрим пример реализации способа магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла в первом варианте устройства. Рабочее тело 1 нагревают в нагревателе 2 (фиг.1), оно расширяется в сопле на входе в дисковый канал 8 МГД-генератора, где часть его кинетической энергии при движении в магнитном поле преобразуется в ЭДС, снимаемую электродами 6. Далее рабочее тело 1 поступает в холодильник 3, где отдает теплоту. После чего его сжимают в индукционном компрессоре 4, в которой магнитной системой формируют бегущее магнитное поле, затрачивая часть выработанной МГД-генератором электроэнергии. После этого рабочее тело 1 возвращается в нагреватель 2 и цикл повторяется. Исполнение устройства с центробежным МГД-компрессором позволяет использовать для питания компрессора постоянный электрический ток, вырабатываемый МГД-генератором, без предварительного преобразования его в переменный ток. Исполнение устройства с центробежным МГД-компрессором и регенеративным теплообменником позволяет поднять общий КПД устройства.

Рассмотрим пример реализации способа магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла во втором варианте устройства. В части устройства, состоящей из нагревателя 10, регенератора 11 и холодильника 12 (фиг.2), представляющей из себя термоакустический двигатель Стирлинга, путем подвода теплоты к рабочему телу 1 в нагревателе 10 и отвода теплоты от рабочего тела в холодильнике 12, возбуждают акустические колебания. Акустические колебания по центральному каналу 18 передаются в МГД-генератор 13, ускоряются в сужающейся части канала 17, где часть их кинетической энергии при движении в магнитном поле преобразуется в ЭДС переменного тока, снимаемую электродами 14. Так как выход канала МГД-генератора 13 соединён через резонатор 16 с холодильником 12, то акустический тракт образует замкнутый контур, и энергия в форме акустической волны циркулирует по контуру. Исполнение устройства со спиральной перегородкой 22, размещённой в резонаторе 16, как показано на фиг.7, позволяет сократить габариты устройства за счёт удлинения канала акустического тракта при той же рабочей частоте. Исполнение устройства с несколькими модулями нагревателя, регенератора и холодильника, объединённых общим акустическим трактом, позволяет сократить габариты устройства за счёт удлинения канала акустического тракта при той же рабочей частоте.

Описанные варианты устройства герметичны, то есть подвод и отвод теплоты осуществляется либо через стенку корпуса, либо теплоносителем через штуцеры. Однако, при использовании данного способа преобразования энергии в ядерных установках, например, для космических аппаратов, возможна непосредственная передача теплоты рабочему телу от ядерного топлива при совмещении данных устройств и ядерного реактора в общем корпусе.

В первом и втором варианте устройств для реализации предлагаемого способа протекают нежелательные побочные реакции натрия с аммиаком с образованием амида натрия и выделением водорода (2Na+2NH₃ → 2NaNH₂+H₂), и одновременно, разложения образовавшегося амида натрия (6NaNH₂ → 6Na + 4NH₃ + N₂) с выделением азота. Поэтому в устройствах применяется периодический отвод образовавшихся газообразных продуктов через штуцера (на фиг. не показаны), установленные в корпус. В случае применения устройств в качестве установок периодического действия для этого применяют откачку газовой фазы после охлаждения рабочего тела 1 до докритического состояния, с последующим восполнением общего объёма рабочего тела 1 жидким аммиаком.

Использование указанного рабочего тела обеспечивает простоту технической реализации благодаря тому, что низшая температура цикла составляет 150°С, давление 100 кг/см². Такие условия возможно реализовать в описанных примерах устройств для осуществления предлагаемого способа. При этом не требуется создание высокотемпературной плазмы в канале МГД-генератора, вызывающей эрозию материалов конструкции, не требуется применение ядерного реактора. А также нет необходимости использования движущихся деталей в предлагаемых устройствах и способе. Поэтому предлагаемые устройства, позволяющие осуществить предлагаемый способ, характеризуются простотой и компактностью конструктивного исполнения, и энергетической эффективностью.

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована в электросиловых установках, осуществляющих преобразование тепловой энергии в электрическую. Технический результат заключается в создании способа и устройств магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, характеризующихся простотой и компактностью конструктивного исполнения и энергетической эффективностью. Технический результат достигается в способе магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающем создание потока рабочего тела, пропускание потока рабочего тела через поле, создаваемое магнитной системой магнитогидродинамического (МГД) генератора, и через электроды, находящиеся в поле МГД генератора для снятия электрической мощности, поток рабочего тела создают в замкнутом контуре с обеспечением его циркуляции или акустических колебаний, в качестве рабочего тела применяют раствор щелочного металла в аммиаке или амине, который доводят до состояния сверхкритического флюида. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающий создание потока рабочего тела, пропускание потока рабочего тела через поле, создаваемое магнитной системой магнитогидродинамического (МГД) генератора и через электроды, находящиеся в поле МГД генератора для снятия электрической мощности, отличающийся тем, что поток рабочего тела создают в замкнутом контуре с обеспечением его циркуляции или акустических колебаний, в качестве рабочего тела применяют раствор щелочного металла в аммиаке или амине, который доводят до состояния сверхкритического флюида.

2. Устройство магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, содержащее рабочее тело, нагреватель, холодильник, средство для создания потока рабочего тела, магнитную систему магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды, расположенные в поле МГД-генератора для снятия электрической мощности, отличающееся тем, что имеется замкнутый контур циркуляции для циркуляции потока рабочего тела, состоящий из каналов, канал МГД-генератора является дисковым, дисковый канал МГД-генератора соединён входным каналом с нагревателем, а выходным - с холодильником, между холодильником и нагревателем расположен индукционный компрессор, обеспечивающий циркуляцию рабочего тела, канал индукционного компрессора выполнен так, что его площадь уменьшается от входа к выходу, при этом вход канала МГД-генератора расположен коаксиально каналу компрессора, а вышеописанные части устройства размещены в корпусе, выдерживающем давление рабочего тела, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

3. Устройство магнитогидродинамического преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, содержащее рабочее тело, нагреватель, регенератор, холодильник, магнитную систему магнитогидродинамического (МГД) генератора и электроды, расположенные в поле МГД-генератора для снятия электрической мощности, отличающееся тем, что имеется замкнутый контур циркуляции для циркуляции акустических колебаний рабочего тела, канал МГД-генератора соединён с одной стороны с нагревателем, а с другой стороны через резонатор с холодильником и регенератором, размещённым между холодильником и нагревателем, при этом площадь сечения канала МГД-генератора меньше, чем площадь сечения канала в остальном контуре, а канал от МГД-генератора к нагревателю расположен коаксиально каналу резонатора, а все вышеописанные части устройства размещены в корпусе, выдерживающем давление рабочего тела, в виде оболочки, имеющей форму тела вращения, рабочим телом является сверхкритический флюид - раствор щелочного металла в аммиаке или амине.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средством для создания потока рабочего тела является центробежный МГД-компрессор.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выходной канал дискового МГД-генератора соединён с холодильником через регенеративный теплообменник, передающий сжатому в компрессоре рабочему телу часть теплоты.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что канал полости резонатора между холодильником и МГД-генератором выполнен в виде однозаходной или многозаходной спирали, расположенной коаксиально с каналом, соединяющей МГД-генератор и нагреватель.

7. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит несколько модулей, размещённых в общем корпусе, состоящих из нагревателя, регенератора и холодильника, последовательно объединённых общим каналом, при этом нагреватель первого и последующих модулей соединён с холодильником следующего модуля, а нагреватель последнего модуля соединён с холодильником первого через канал МГД-генератора.