початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2226737

Магнітогідродинамічним СПОСІБ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕНЕРГІЇ В ЕЛЕКТРИЧНУ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛУ

Ім'я винахідника: Славін В.С .; Фінніков К.А .; Миловидова Т.А.
Ім'я патентовласника: Красноярський державний технічний університет
Адреса для листування: 660074, г.Красноярск, вул. Киренського, 26, КДТУ, патентно інформаційний відділ
Дата початку дії патенту: 2002.03.29

Винахід відноситься до виробництва електричної енергії і може бути використане в електросилових установках, які здійснюють перетворення теплової енергії в електричну. Спосіб включає розгін потоку інертного газу, створення в потоці перед входом в канал МГД-генератора за допомогою імпульсних пучків електронів високої енергії і потужнострумових електричних розрядів періодичних за часом електропровідних шарів, що переміщуються газовим потоком в поперечному магнітному полі. При цьому реалізується режим самопідтримки електропровідних шарів в каналі МГД-генератора за рахунок енергії потоку і генерування корисної потужності. У електропровідних плазмових шарах створюють стан "замороженої іонізації", для чого використовують електронні пучки тільки для початкової іонізації, а остаточну іонізацію здійснюють за допомогою імпульсного потужнострумового розряду з характерним часом розряду не більше 2 · 10 ^-6 c. Потужнострумовий розряд однорідно підвищує концентрацію електронів в попередньо ионизованном електропровідному шарі, при цьому напруга розряду підбирають так, щоб концентрація електронів до моменту виключення струму розряду склала (0,8-1,5) × 10 ¹⁵ см ^-3. Технічний результат - створення умов, при яких в неоднорідному газоплазмове потоці в плазмі буде зберігатися явище "замороженої іонізації".

ОПИС ВИНАХОДИ

Винахід відноситься до виробництва електричної енергії і може бути використане в електросилових установках, які здійснюють перетворення теплової енергії в електричну. Особливу важливість цей винахід може знайти при створенні потужної космічної електростанції, де замкнутість циклу для робочого тіла установки має принципове значення.

Відомий спосіб [1] перетворення теплової енергії в МГД-генераторі замкнутого циклу, що використовує в якості робочого тіла потік інертного газу без присадки лужних металів, що включає розгін потоку інертного газу, створення в потоці перед входом в канал МГД-генератора періодичних за часом шарів з підвищеною електропровідністю. переміщення і самопідтримки зазначених верств в каналі МГД-генератора за рахунок енергії потоку, зняття корисної потужності. Цей спосіб передбачає періодичне використання системи імпульсного електричного розряду з характерним часом імпульсу ~ 10 ^-4 с, протягом якого концентрація електронів в електропровідному плазмовому шарі має зрости до значень ~ 10 ¹⁴ см ^-3.

При такій "повільної" іонізації електронний газ встигає передати значну частину своєї теплової енергії атомарному газу, в результаті чого газ в обсязі електропровідного шару нагрівається і підвищує тиск. Область підвищеного тиску починає газодинамічне розширення, при якому щільність газу падає. В областях зі зниженою щільністю (тобто там, де підвищена концентрація електронів привела до потужного виділенню тепла) буде підвищена електронна температура, що ще додатково посилить іонізацію і виділення тепла. Фактично відбудеться розвиток ионизационной нестійкості, через яку розряд стає неоднорідним, у ньому розвиваються іонізаційна турбулентність, і ефективна електропровідність при цьому різко падає.

Відомий спосіб [2] перетворення теплової енергії в МГД-генераторі замкнутого циклу, що включає розгін потоку інертного газу, створення в потоці перед входом в канал МГД-генератора періодичних за часом шарів з підвищеною електропровідністю, переміщення і самопідтримки зазначених верств в каналі МГД-генератор а за рахунок енергії потоку, зняття корисної потужності. У цьому способі для створення шарів з підвищеною електропровідністю пропонується використання імпульсних пучків електронів високої енергії для формування нерівноважної іонізованих плазмових згустків в потоці інертного газу. При цьому потужність електронних пучків визначається умовою

_n e> n _саха(T ion),

де _n e - концентрація електронів в електропровідних згустках;

n _саха - рівноважна концентрація електронів, що визначається з рівняння Саха;

_T ion - порогова температура електронів, з якої починається лавиноподібний іонізація (наприклад для неону _T ion ~ 18000К).

При виконанні умови 4000К <T _{<T , Де Т е - температура електронів в плазмових шарах, в інертних газах відбувається значне зниження швидкості рекомбінації в потрійних зіткненнях. Плазма виявляється в стані "замороженої іонізації", при якому зберігається висока концентрація електронів (n e ~ 10 ¹⁴ см ^-3), що з одного боку забезпечує ефективний магнітогідродинамічний процес в каналі МГД-генератора, а з іншого в такій плазмі електропровідність залежить від електронної температури як ~ Т ^-12e, що перешкоджає розвитку в плазмі дисипативних нестійкостей, таких як іонізаційна і перегревная.}

Недоліком способу є те, що досягнення щільності електронів 10 ¹⁴ см ^-3 тільки за рахунок іонізації електронним пучком представляється проблематичним завданням (як правило, існуючі пристрої формують електронні пучки, що дозволяють отримати в потоці газу _n e ~ 10 ¹⁰ см ^-3). Крім того, іонізація електронним пучком залишає холодним газ в обсязі неравновесного плазмового згустку, що має привести до утворення в цьому обсязі молекулярних іонів. У свою чергу молекулярні іони швидко рекомбінують в парних зіткненнях з електронами, концентрація вільних електронів при цьому різко знижується і ефект "замороженої іонізації" зникає.

В основу винаходу покладено завдання створення умов, при яких в неоднорідному газоплазмове потоці в плазмі буде зберігатися явище "замороженої іонізації".

Поставлена задача досягається тим, що в магнітогідродинамічним способі перетворення теплової енергії в електричну замкнутого циклу, що включає розгін потоку інертного газу, створення в потоці перед входом в канал МГД-генератора за допомогою імпульсних пучків електронів високої енергії періодичних за часом електропровідних шарів, переміщення і самопідтримки електропровідних шарів в каналі МГД-генератора за рахунок енергії потоку, зняття корисної потужності, згідно з винаходом, для створення електропровідних плазмових шарів, що знаходяться в стані "замороженої іонізації", використовують електронні пучки тільки для початкової іонізації, а остаточну іонізацію здійснюють за допомогою імпульсного потужнострумового розряду з характерним часом розряду не більше 2 · 10 ^-6 с, яким є однорідним підвищують концентрацію електронів в попередньо ионизованном електропровідному шарі, при цьому напруга розряду підбирають так, щоб концентрація електронів до моменту виключення струму розряду склала (0,8-1,5) · 10 ¹⁵ см ^-3.

"Швидка" іонізація в Потужнострумові розряді з характерним часом дії не більше 2 • 10 ^-6 c (умова встановлено в ході чисельного експерименту на математичній моделі) різко підвищує концентрацію електронів, які не встигають обмінятися енергією з нейтральним газом, тому процес розвивається на тлі постійних газових температур і тисків. В цьому випадку, в областях з підвищеною концентрацією електронів через переважання зіткнень електрон - іон над зіткненнями електрон -нейтральний атом знижується довжина вільного пробігу електрона і, відповідно, знижується електронна температура. Таким чином, в "швидкому" Потужнострумові розряді на відміну від "повільного" розряду температура електронів буде знижуватися в областях з підвищеною іонізацією, що придушить іонізаційну нестійкість і зробить розряд однорідним у всій області, попередньо іонізованої електронним пучком. Після виключення електричного поля рекомбінація в потрійних зіткненнях, пропорційна n ³_е, відбувається досить швидко (з характерним часом ~ 10 ^-4 с) до рівня концентрації _n e ~ 10 ¹⁴ см ^-3, після чого швидкість рекомбінації різко знижується. Потік газу вносить плазмовий згусток в магнітне поле МГД-генератора, де за рахунок індукованого електричного поля в плазмі встановлюється температура електронів на рівні ~ 10 ⁴ K. Реалізація режиму з "замороженої іонізацією" в даному випадку виявилася можливою завдяки надлишковій іонізації (0,8 × 10 ¹⁵ см ^-3 - 1,5 × 10 ¹⁵ cм ^-3) плазми в Потужнострумові розряді. Подальша рекомбінація до рівня _n e ~ 10 ¹⁴ см ^-3 призводить до виділення енергії витраченої на іонізацію в вигляді тепла, яке підвищує температуру важких частинок (нейтральних атомів і іонів) в плазмі до 3500К-4000К. Межі цього температурного діапазону визначилися в ході чисельного моделювання процесу рекомбінації плазми, для якої рівень іонізації задавався з інтервалу (0,8-1,5) × 10 ¹⁵ см ^-3. При температурі 3500К - 4000К молекулярні іони не утворюються, і процес рекомбінації може здійснюватися тільки повільним механізмом трехчастічного зіткнення. Якщо по завершенню імпульсного потужнострумового розряду концентрація електронів виявиться менше ніж 0,8 х 10 ¹⁵ см ^-3, то відповідно температура важких частинок в плазмі буде нижче 3500К і в плазмі будуть утворюватися молекулярні іони. При концентрації вище 1,5 × 10 ¹⁵ см ^-3 температура буде перевищувати 4000К, що не перешкоджає режиму "замороженої іонізації", але цей режим вимагає невиправданих витрат енергії.

На кресленні показано пристрій для здійснення запропонованого способу.

Пристрій містить надзвукове сопло 1, систему 2 імпульсної інжекції електронного пучка, систему 3 імпульсного потужнострумового розряду, електроди 4 канали МГД-генератора, обмотку 5 електромагніту, електропровідні шари плазми 6, канал 7 МГД-генератора, систему 8 харчування навантаження, навантаження 9.

СПОСІБ ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ наступним чином

Нагрітий інертний газ (наприклад, неон), температура якого може вибиратися з діапазону 1500К <Т <3000К, розганяють в надзвуковому соплі 1. Перед входом в канал МГД-генератора періодично за допомогою системи 2 инжектируются пучок електронів високої енергії, в результаті чого в газовому потоці виникає локальна область з початковою концентрацією електронів ~ 10 ¹⁰ см ^-3. Потім, включенням системи 3 імпульсного потужнострумового розряду, з області початкового іонізації формують плазмовий згусток з концентрацією електронів ~ 10 ¹⁵ см ^-3. Далі газовий потік вносить в МГД-канал 7 електропровідний плазмовий згусток 6, в якому через зниження концентрації електронів до ~ 10 ¹⁴ см ^-3 підвищується температура важких частинок до 3500К-4000К. Тут плазма замикається на електроди 4. Індукований рухом плазми в поперечному магнітному полі, створюваному обмоткою 5 електромагніту, електричний струм перетворять системою 8 харчування навантаження. Корисна потужність виділяється в навантаженні 9. Цим же електричним струмом, що протікає по плазмі, підтримують температуру електронів на рівні ~ 10 ⁴ K і таким чином, виконують умови підтримки плазми в стані "замороженої іонізації".

Для чисельного дослідження процесу ініціювання плазмового згустку в потоці інертного газу була створена розрахункова модель, в якій спільно з рівняннями магнітної газодинаміки вирішувалися рівняння багаторівневої ионизационной кінетики, що включали такі елементарні процеси: зіткнення збуджених атомів з електронами, радіаційні переходи, дезактивирующие зіткнення з атомами, освіта молекулярних іонів, процеси рекомбінації в подвійному зіткненні молекулярного іона і електрона і потрійному зіткненні атомарного іона і двох електронів. Константа швидкості реакції збудження з основного стану визначалася в результаті чисельного рішення кінетичного рівняння Больцмана з урахуванням нерівноважної заселеності першого збудженого стану. Кінетична модель тестувалася шляхом зіставлення розрахункових результатів з експериментальними даними по значенням коефіцієнтів Таунсенда і з експериментальними даними за властивостями контрагірованного розряду в неоні. Факт хорошого збігу розрахункових і експериментальних результатів говорить про адекватність моделі реальному процесу.

Чисельне моделювання генераторного процесу, що реалізує описаний спосіб, показало, що в потоці неону з параметрами гальмування Г = 2000К, Р = 1 МПа може бути здійснений процес перетворення теплової енергії в електричну за показниками ефективності: ступінь перетворення ентальпії - 39%, адіабатичний ККД - 78 %.

Установка з такими параметрами дозволить створити для наземної енергетики МГД-електростанцію, що включає парогазову установку, із загальним ККД близько 60%, а в разі космічного застосування спільно з сонячними концентраторами випромінювання в якості теплового джерела бортову енергоустановку замкнутого циклу з рівнем питомої потужності близько 600 Вт / кг, що приблизно в двадцять разів вище, ніж у використовуваних в даний час панелей сонячних елементів.

ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ

1. Slavin VS, Zelinsky NI, Lazareva NN, Persianov PG, "Disk Closed Cycle MHD Generator with Faraday Type Channel Working on Pure Noble Gas" (Дисковий МГД-генератор замкнутого циклу з каналом фарадеевского типу, що працює на чистому інертному газі), стаття в збірнику праць Міжнародної конференції "11-th Intern. Conf. on MHD Electrical Power Generation", Vol. 4, pp. 1190-1198., Академія наук Китаю. - Пекін, 1992.

2. Славін BC, Данилов В.В. Магнітогідродинамічний спосіб перетворення теплової енергії в електричну замкнутого циклу, Патент РФ №2110131, 1998 г.

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

Магнітогідродинамічний спосіб перетворення теплової енергії в електричну замкнутого циклу, що включає розгін потоку інертного газу, створення в потоці перед входом в канал МГД-генератора за допомогою імпульсних пучків електронів високої енергії періодичних за часом електропровідних шарів, переміщення і самопідтримки енергії електропровідних шарів в каналі МГД-генератора за рахунок енергії потоку, зняття корисної потужності, що відрізняється тим, що для створення електропровідних плазмових шарів, що знаходяться в стані "замороженої іонізації", використовують електронні пучки тільки для початкової іонізації, а остаточну іонізацію здійснюють за допомогою імпульсного потужнострумового розряду з характерним часом розряду не більше 2 · 10 ^-6 c, яким є однорідним підвищують концентрацію електронів в попередньо ионизованном електропровідному шарі, при цьому напруга розряду підбирають так, щоб концентрація електронів до моменту виключення струму розряду склала (0,8-1,5) · 10 ¹⁵ см ^-3.

Версія для друку
Дата публікації 29.11.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів