Пароэлектрический генератор Советский патент 1936 года по МПК H02N3/00 

Настоящее изобретение относится к генератору постоянного тока, действие которого основано на переносе электрических зарядов струей адиабатически расширяющегося пара.

Такой генератор был предложен по авторскому свидетельству № 48753.

Изобретение заключается в дальнейщей конструктивной разработке указанного генератора.

На чертеже изображен предлагаемый генератор.

Испарение ртути происходит в котле К. По трубе Т ртутный пар поступает в сопло в котором он адиабатически расширяется. Снаружи сопло охвачено замкнутой камерой, в которой горит дуговой разряд. Поэтому ее можно называть дуговой камерой.

Катодом дугового разряда служит жидкая ртуть F. Анодом дугового разряда является электрод А. Вывод анода через изолирующую втулку Я, проходит через верхнюю крышку дуговой камеры. Возбуждение светлого пятна на ртутном катоде происходит посредством специального поджигающего электрода/, вывод которого проходит в верхней крышке дуговой камеры через изолирующую втулку И.

Сопло может быть сделано как из

диэлектрика (например, алунда, стеатита, фарфора, базальта, кварца и т. д.), так и из проводника (металла). В последнем случае сопло электрически соединено с катодом дуговой камеры и, следовательно, имеет потенциал последнего. В нижней части сопла предусмотрены щели, открывающиеся в дуговую камеру.

Перед выходным отверстием сопла 5 помещается решетчатый электрод G, на который подается отрицательный потенциал. Электрод этот снабжен цилиндрическим штифтом g, расположенным по оси сопла против щелей, ведущих в дуговую камеру. Сквозь эти щели положительные ионы из дугового разряда диффундируют к отрицательно заряженным штифту g и экранирующей решетке G.

Поэтому вблизи выходного отверстия сопла S всегда существует положительный объемный заряд, плотность которого определяется величиной отрицательного потенциала электродов g к G, их конфигурацией, величиной щелей в сопле и интенсивностью дугового разряда между электродами F и Л.

Переохлажденный благодаря адиабатическому расширению пар конденсируется вокруг положительных ионов.

Образовавшийся объемно заряженный туман пролетает сквозь экранирующий электрод g, пролетает сквозь сетку -D и попадает на стенки холодильника X, которому и отдает свой положительный заряд.

Сетка электрически соединена с холодильником X. Поэтому заряженные каоельки тумана попадают в тормозящее электрическое поле, не успев потерять бесполезно даже небольшой части своей энергии.

Холодильник X изолирован от сопла и дуговой камеры при помоши кварцевого или фарфорового цилиндра И.

Полезная нагрузка генератора включается между холодильником X и одним из дуговых электродов (например, катодом F). На чертеже зажимы, к которым приключается нагрузка; обозначены через Z. Дабы изолировать холодильник от котла К, вытекаюшая из холодильника ртуть пропускается через так называемый капельный сепаратор R. Последний представляет собой диафрагму, снабженную весьма мелкой перфорацией. Благодаря этому ртуть вытекает из холодильника пе сплошной струей, а в виде отдельных капель.

Трубка В, отводящая ртуть из холодильника, делается из изолирующего материала (кварца или стекла).

На достаточном отдалении о холодильника, трубка В переходит в металлическую трубку /7, по которой ртуть попадает в котел.

К трубке В присоединена трубка Н, ведущая к вакуумному насосу. Назначение последнего - удаление посторонних газов, попадающих в генератор сквозь швы и уплотнения.

В виду больщого удельного веса жидкой ртути можно давать конденсат обратно в котел без посредства насоса. Для этого достаточно лишь расположить генератор выше котла.

Например, при давлении в котле 10 ата при 10 ата температура насыщенного ртутного пара выще 500° (для безнасосного питания котла необходима разность уровней котла и генератора около 8 м).

Для вычисления к.п.д. генератора весьма важно знать мощность, забираемую ионизирующей дугой. Порядок

этой величины можно определить следующим образом: падение напряжения в ртутной дуге может колебаться от 15 до 25 V (даже в случае относительного большого давления ртутного пара в дуговой камере - несколько миллиметров - падение напряжения не превысит 30 - 50 V). Поэтому на каждый ампер тока дуги расходуется мощность от 15 до 50 W.

При соответствующей конфигурации сопла и дуговой камеры можно добиться того, что ионный ток на электроды g и G будет составлять 5 - 10% от тока дуги (таков, например, порядок величины сеточных токов в тиратроне). Предположим, что только 50% ионов, идущих к электродам g я G, будут уноситься струей пара к холодильнику. Тогда на один амнер конвекционного тока надо затратить от 200 до 500 W. Если напряжение конвекционного генератора 20 kV, то затрачиваемая в ионизирующей дуге мощность будет составлять всего 1 - 2% от развиваемой конвекционным генератором мощности. Эта величина того же порядка, что и затраты на возбуждение альтернатора или динамомащины постоянного тока. Если же удастся построить конвекционный генератор на более высокое напряжение, то в нем потери на возбуждение будут составлять еще более ничтожный процент.

Выясним теперь, какие величины токов и напряжений можно рассчитывать получить от конвекционного генератора.

Представим экранирующую сетку G и сетку холодильника D в виде двух параллельных безгранично протяженных плоскостей. Тогда электрическое поле будет меняться только по координате, перпендикулярной к плоскости сеток; обозначим эту координату ;с и за начало координат примем плоскость сетки G.

Во всех направлениях, параллельных плоскостям G и D, поле меняться не будет. Краевыми эффектами также пренебрежем.

Из плоскости G вылетают с начальной скоростью -Vf, капельки с массой М и зарядом е.

Начальная скорость капелек определяется уравнением: ,

м/сек. - 91,5 I//1-Уз

(1)

fn У и у2 - теплосодержание пара до и после расщирения в сопле. В дальнейшем будем обозначать перепад теплосодержания в сопле yl-/2 /о- Формула (1) верна для любого рабочего тела (ртутного пара, водяного пара и т. д.). Разность потенциалов между электродами G к D обозначим {/д. Потенциал в произвольной точке пространства обозначим Цг скорость капель в этой точке v. Тогда для каждой точки пространства справедливо уравнение M(v, - v,). ... (2) Если считать, что капли приходят на электрод D с нулевой скоростью, то jilEoL- A/g 2 - й Обозначим объемную плотность зарядов в пространстве между электродами РО; . Тогда плотность конвекционного тока Д/ рхУа; (величина Д/ для разбираемого плоского случая от X не зависит). Кроме того для пространства между электродами мы имеем уравнение (в системе CGSE) Т.2- .... (в системе CGSM это уравнение надо было бы писать- С-3. ). Комбинируя уравнение Д/ р,г:, с уравнениями (2) и (4), мы можем вывести (аналогично тому, как это делается при выводе формулы Лангмюира) зависимость между Д/ и и и,(5) 9г. V М но согласно формуле (3) |/ ;д| . поэтому формулу (5) можно переписать: gr.dz Если перевести формулу (6) из системы CGSE в систему практических единиц, то мы получим Д/А/сл 2 Щ см1сек Uo V 10 Д/А/сж г;о м/сек С/о V Ю формула (7) показывает, что в том случае, когда масса капли достаточно велика для того, чтобы при данной скорости перенести заряд капли против поля холодильника, то предельная плотность тока прямо пропорциональна напряжению генератора и начальной скорости капель. Приняв во внимание формулу (1), можно уравнение (7) переписать так А (8) Отсюда мощность, приходящаяся на 1 см выходного отверстия сопла, равна ДР (9) Для получения больщих мощностей необходимо строить генератор на возможно более высокие напряжения. В случае ртутного пара /о может быть несколько десятков. Возьмем, например 7о - 50 кал/кг и d см, тогда при напряжении генератора 1000 V Д/ 2,5 тА/см-; ,5 иЛгж. При напряжении же генератора lOOkV Д/ 0,25 т. ДР 25 . Определим теперь, каково должно быть конечное давление пара при выходе из сопла. Обозначим удельный объем пара при выходе из сопла Vf, , тогда через каждый квадратный сантиметр. (0,0001 ) выходного сечения сопла будет проходить 10 кг/се/с. кинетическая энергия этого пара равна о/о„1111..1000 ,., ДР OJO 0 ,42- W/C,M2 .... (10) Эта величина ни в коем случае не должна быть больше величины, определяемой по формуле (9) (если энергия, заключаемая в струе пара, будет больше, чем это следует по формуле (9), то избыток энергии будет бесполезно пропадать), в пределе 0,42 г/о Ml сек U, 10 . (11) отсюда определяем V IQH . . . . (12) tjo Зная VQ, можно по таблицам пара найти давление, соответствующее этому VQ И при заданном расходе пара найти выходное сечение сопла. Например, при см, , V и 1/0 5.10 конечное давление должно быть не выше 10 При С/о 100 kV; и конечное давление должно быть не выше 0,0004 ата, т. е. со 0,3 лгм Hg. На основании формул (5) и (7) можно также вычислить характер изменения потенциала и скоростей капель в зависимости от расстояния х. (l-) ,3 V. V,( . , f В реальном генераторе заряженные капли приходят на поверхность холодильника не с нулевой, а с некоторой остаточной скоростью. Исходя из формул (13) и (14), очень легко учесть влияние остаточной скорости. В пределе, когда конечная скорость будет равна начальной, Д/ будет в 4 раза больше, чем это следует по формуле (7). Под f/o тогда надо понимать не разность потенциалов между электродами G и Д а разность потенциалов между любым из этих электродов и минимумом потенциала, лежащим на половине расстояния между электродами. Потенциал в пространстве между электродами равен: .rf i d i 3(1 прих с1- 0 (поверхность холодильника D) при -д--(поверхностьэлектрода (3). Все вышеприведенные формулы справедливы не только в том случае, когда ионы переносятся конденсирующимися вокруг них капельками, но и когда механизм переноса ионов иной, лишь бы только начальная скорость ионов была равна скорости пара при выходе из сопла. Если скорость ионов будет меньше, возможные плотности тока на квадратный сантиметр также упадут. Мыслим, например, такой механизм переноса ионов: быстро летящий нейтральный атом встречает медленный ион и обменивается с ним зарядом. Получается быстрый ион и медленно движущийся атом. Летя против поля холодильника ион затормаживается. Тогда из него налетает новый быстрый атом, который перенимает его заряд и некоторое время летит против поля и т. д. Выведенные формулы указывают, какова должна быть конструкция генератора. Расстояние между электродами G и D должно быть возможно меньше. Градиент у электрода при этом возрастает обратно пропорционально расстоянию d в первой степени; Плотность же конвекционного тока возрастает обратно пропорционально d. Скорость пара при выходе из сопла должна быть возможно больше. Предмет изобретения. 1. Видоизменение генератора по авторскому свидетельству № 48753, отличающееся тем, что электроды дуги, служащей для ионизации зоны, прилегающей к сетке, расположены в отдельной камере, окружающей сопло и соединенной с полостью последнего в выходной его части рядом щелей, а сетка в центральной части снабжена электродом в виде штифта g, входящего в сопло

генератора и расположенного против указанных щелей в сопле.

2. Форма выполнения генератора по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве

катода ионизируемой дуги применена жидкая ртуть, помещенная на дне камеры, а анод указанной дуги укреплен на наружной части сопла.