Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и устройство для его осуществления Советский патент 1993 года по МПК H02K44/08 

Изобретение относится к энергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Целью изобретения является: повышение КПД преобразования тепловой энергии в электрическую; увеличение энергоотдачи массы рабочего тела (ртути); снижение максимальной температуры парометаллическо- го цикла; стабилизация выходной электрической мощности.

Поставленная цель достигается тем, что вертикальные трубопроводы, образующие замкнутую петлю с нагревателем внизу одной трубы и конденсатором в верхней части другой трубы, заполняют жидким металлом (ртутью). Масса заливаемого жидкого металла определяется из условия получения при

работе преобразователя максимальной разности высоты уровней жидкого металла в первом (паровом) и втором (напорном) трубопроводах и выражается формулой:

M (VH + VM)p + (Vn + V,optp(1)

где VH - объем внутренней полости напорного трубопровода;

VM - объем внутренней полости испарителя (нагревателя);

р - плотность рабочего тела (ртути);

Vn - объем внутренней полости парового трубопровода

V - объем внутренней полости конденсатора:

ptp - средняя плотность паров ртути / рабочего тела.

00

ю со

8

00

После заполнения преобразователя жидким металлом из незаполненной полости выкачивают воздух до необходимого разрежения, что повышает КПД цикла и снижает его температуру. Повышение КПД обусловлено снижением удельной теплоты парообразования при снижении давления, а потенциальная энергия столба ртути при атмосферном давлении и разрешение одинакова. КПД в этом случае выражает отношение потенциальной энергии столба жидкого металла к энергии, затраченной на испарение и подъем паров ртути на высоту этого столба.

От испарителя пары ртути поднимаются вверх, и направляют их в конденсатор, где пары конденсируются и стекают в напорный трубопровод, а тепло конденсации используется для нагревания и испарения воды пароводяного цикла. После этого водяные пары направляют в прямоточный котел, расположенный в камере, куда поступают газы, отработавшие в ртутном испарителе. Здесь водяной пар перегревается, и его направляют в паровую турбину, затем в конденсатор водяного пара, а из конденсатора насосом в конденсатор металлического пара, и цикл повторяется. На испарение одного кг воды -требуется 539 ккал, а при конденсации одного кг ртутного пара выделяется 70-80 ккал тепла. Такое соотношение затрат энергии на испарение повышает КПД бинарного цикла.

На напорном трубопроводе, куда направляют конденсат ртути, установлены последовательно МГД-генераторы и регулятор высоты столба жидкого металла, который в гравитационном поле обладает потенциальной энергией.

В каналах МГД-генераторов потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию потока, который пересекает магнитное поле, тормозитсп им и преобразуется в электроэнергию. После прохода через канал регулятора ртуть с температурой, близкой к температуре кипения, направляют в испаритель, и цикл повторяется.

Мощность преобразователя определяется паропроизводительностью испарителя и высотой столба жидкого металла в напорном трубопроводе.

Заданная высота столба жидкого металла поддерживается регулятором, который устроен по принципу МГД-генератора, но токосъемники через датчик соединены с обмотками электромагнитов. При понижении уровня жидкого металла в напорном трубопроводе повышается в паровом и замыкает датчик, Остаточный магнитный поток сердечников электромагнитов возбуждает ток,

и резко возрастает торможение потока жидкого металла, что повышает его уровень в напорном трубопроводе и понижает в паровом, Снижение уровня размыкает датчик, и

выключаются электромагниты регулятора. Датчик установлен на отводе парового трубопровода, чтобы иметь спокойный уровень жидкого металла.

На фиг. 1 изображена схема устройства

парометаллического преобразователя и принципиальная схема связанного с ним пароводяного цикла; на фиг. 2 показана электрическая схема регулятора уровней жидкого металла в трубопроводах.

5 Парометаллический преобразователь представляет замкнутую петлю трубопроводов, установленную вертикально в гравитационном поле. Петля имеет паровой трубопровод 1 с электроизолирующей

0 вставкой 2, которая исключает замыкание тока по стенкам петли. Другой трубопровод 3 является напорным, где создается столб жидкого металла высотой, равной Н. На трубопроводе 3 установлены последовательно

5 на одинаковых расчетных расстояниях жид- костнр-металлические МГД-генераторы 4. которые механическую энергию превращают в электрическую. В нижней части парового трубопровода установлен испаритель 5

0 жидкого металла. В верхней части напорного трубопровода 3 установлен конденсатор 6, где конденсируется металлический пар, и за счет тепла конденсации нагревается и испаряется вода пароводяного цикла. В

5 нижней части напорного трубопровода 3 установлен регулятор высоты столба жидкого металла (Н), который обеспечивает стабильную мощность вырабатываемой электроэнергии,

0Регулятор имеет устройство, подобное

МГД-генератору с замыканием вырабатываемого тока на свою обмотку электромагнитов.

На схеме фиг. 2 изображены обмотки 8

5 электромагнитов с сердечниками 9, которые имеют небольшой остаточный магнетизм. Один конец обмотки электромагнитов подключен к одному токосъемнику 10, а другой токосъемник 10 соединен с другим концом

0 обмотки электромагнитов через датчик 11, который представляет собой два конца проводника 11 и 12, расположенных в отводе 13 парового трубопровода. Один конец проводника расположен ниже уровня жидкого

5 металла, а другой над ним. При понижении уровня в напорном трубопроводе повышается в паровом, и жидкий металл и замыкает оба конца. Остаточный магнетизм вызывает ток, магнитное поле усиливается и тормозит поток ртути до тех пор, пока уровень в паровом трубопроводе не опустится ниже верхнего конца проводника, разомкнется цепь питания электромагнитов регулятора.

Бинарный способ преобразования тепловой энергии в электрическую включает испарения жидкого металла в нагревателе 5 и подъем паров в гравитационном поле к конденсатору 6, где пэры металла конденсируются, а выделяемое тепло используют для испарения воды пароводяного цикла. Все это происходит в разреженном пространстве замкнутой петли. Конденсат паров металла заполняет напорный трубопровод и под действием гравитационного поля движения вниз, проходя с большой скоростью каналы МГД-генераторов, где кинетическая энергия потока превращается в электрическую. Чтобы исключить замыкание тока по корпусу петли в паровом трубопроводе установлена изолирующая вставка 2 из тугоплавкой керамики. В нижней части трубопровода 3 установлен регулятор, который поддерживает заданную высоту Н жидкого металла и работает от датчика, замыкаемого повышением уровня жидкого металла в паровой трубе 1. Жидкий металл замыкает концы 11 и 12, возникает ток в обмотках электромагнитов, усиливается магнитное поле, и оно тормозит поток и повышает его уровень в трубопроводе 3 и снижает в трубопроводе 1, что приводит к размыканию цепи и выключению регулятора. После регулятора поток ртути направляют в испаритель 5, и процесс повторяется,

В пароводяном цикле насыщенный пар из конденсатора металлического пара поступает в перегреватель, расположенный в камере 14, куда поступают нагретые газы, отработавшие в испарителе 5.

Перегретый пар направляют в турбину (Т), где тепловая энергия превращается в механическую, а она в генераторе (Г) прекращается в электрическую. Отработавший в турбине пар направляют в конденсатор (К) водяного пара, а оттуда вода насосом (Н) подается в конденсатор 6, и цикл повторяется.

Преобразование пароводяного цикла в бинарный с предложенным ртутным преобразователем значительно повысит КПД пре- образования тепловой энергии в электрическую. Термический КПД бинарного выражается формулой:

m(lip-l2p) + (liB-l28)

rji

т(Нр-1Р ) + )

(2)

где т - кратность циркуляции ртути;

llp - энтальпия паров ртути у испарителя;

I2P энтальпия паров ртути у кондемся тора,

Ив - энтальпия перегретого водяного пара;

5(2е энтальпия жидкой ртути, поступающей в испаритель;

нв - энтальпия насыщенного водяного пара.

Для предложенного бинарного цикла 10 кратность (отношение теплоты испарения воды к теплоте испарения ртути) составляв т 7-8, что обеспечивает значительное увеличение термического КПД бинарного цикла. Ртутный преобразователь не имеет по- 15 движных частей, что обеспечивает надежность и долговечность работы. fНизкая температура ртутного цикла

около 1000 К не требует специальных материалов (газовые МГД-генераторы имеют 20 температуру 3000 К).

Разрежение в полости преобразователя исключает утечки ядовитых паров ртути.

Жидкостно-металлические МГД-генераторы, применяемые в преобразователе, 25 имеют КПД на порядок выше, чем КПД газовых МГД-генераторов, применяемых для тех же целей.

Разрежение в полости преобразователя повышает его термический КПД и, следова- 30 тельно, КПД всего бинарного цикла. Формула изобретения 1. Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий заполнение вертикально расположенных в 35 гравитационном поле трубопроводов, образующих замкнутую петлю, жидким металлом, подачу его путем нагрева в нагревателе, расположенном в нижней части петли трубопровода, к теплообменнику, 40 расположенному в верхней части второго трубопровода, преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию потока жидкого металла по петле трубопроводов и преобразование кинетической энергии в 45 электрическую с помощью по крайней мере, одного МГД-генератора, установленного во втором трубопроводе, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД преобразования, повышения энергоотдачи единицы t 50 массы рабочего тела, снижения температуры парометаллического цикла и стабилизации выходной мощности преобразователя, петлю трубопроводов заполняют жидким металлом, массу М которого определяют из 55 условия получения максимальной разности уровней жидкого металла в паровом и напорном трубопроводах в соответствии с соотношением

M-(VH + VM)(Vn + V,,)/)tp.

где VH - объем напорного трубопровода;

Уи обьем нагревателя жидкого металла;

р - плотность жидкого металла при температуре кипения:

Vn - объем парового трубопровода:

Лс - объем конденсатора паров металла в преобразователе,

после чего выкачивают воздух из внутреннего объема преобразователя, не занятого жидким металлом, и осуществляют замкнутый цикл, включающий получение паров металла а нагревателе, которые поднимаются по паровому трубопроводу и конденсируются в теплообменнике, в котором тепло кон- денсации используют для нагрева и испарения воды пароводяного цикла, а поток сконденсированного металла пересекает магнитное поле МГД-генераторов, в которых кинетическая энергия потока пре- образуется в электрическую, и магнитное поле регулятора, поддерживающего заданный уровень жидкого металла в напорном трубопроводе, а газы, используемые для нагрева г«еталла в нагревателе, направляют в контур получения электрической энергии, выполненный на основе пароводяного цикла.

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что в качестве жидкого металла используют ртуть.

3,Устройство для преобразователя тепловой энергии в электрическую, включающее вертикальные трубопроводы, замкнутые в петлю с нагревателем внизу и конденсатором наверху петли, и по крайней мере один жидкостно-металлический МГД-генератор, отличающееся тем, что вертикальная петля трубопроводов выполнена в виде герметичной вакуумирован- ной емкости, заполненной расчетным количеством жидкого металла, при этом в камере за нагревателем жидкого металла размещены трубы паронагревателя водяного пара, который подается в турбину, а напорный трубопровод снабжен регулятором разности уровней жидкого металла в трубопроводах, причем регулятор выполнен в виде двух электромагнитов, установленных на диаметрально противоположных сторонах трубопровода и соединенных с токосъемниками через датчики, расположенные в отводе парового трубопровода, один из которых расположен над уровнем жидкого металла, а второй ниже уровня жидкого металла.

Использование: получение электрической энергии путем преобразования тепловой энергии жидкого металла. Сущность: преобразователь, содержащий соединенные между собой вертикальные паровой и напорный трубопроводы, заполняют жидким металлом (ртутью) в таком количестве, чтобы обеспечить максимальную разность уровней жидкости в трубопроводах, поддерживаемую с помощью электромагнитного регулятора. Из трубопроводов выкачивают воздух, нагревают жидкий металл в паровом трубопроводе, а поднимающиеся пары металла охлаждаются в конденсаторе, размещенном в верхней части трубопроводов, Сконденсированный жидкий металл проходит через МГД-генератор, установленный на напорном трубопроводе, и поступает в нижнюю часть парового трубопровода. Конденсатор совмещен с паронагревателем па- роводяного цикла. Горячие газы, используемые для нагрева жидкого металла, направляют в пароводяной цикл. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы. ё

S

Фиг.

И 9 38

Фаг.I