магнитогидродинамический способ преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла

Формула изобретения

Магнитогидродинамический способ преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, 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 с характерным временем разряда не более 210^-6c, которым однородно повышают концентрацию электронов в предварительно ионизованном электропроводном слое, при этом напряжение разряда подбирают так, чтобы концентрация электронов к моменту выключения тока разряда составила (0,81,5)10¹⁵ см^-3.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к производству электрической энергии и может быть использовано в электросиловых установках, осуществляющих преобразование тепловой энергии в электрическую. Особую важность это изобретение может обрести при создании мощной космической электростанции, где замкнутость цикла для рабочего тела установки имеет принципиальное значение.

Известен способ [1] преобразования тепловой энергии в МГД-генераторе замкнутого цикла, использующий в качестве рабочего тела поток инертного газа без присадки щелочного металла, включающий разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД-генератора периодических по времени слоев с повышенной электропроводностью. перемещение и самоподдержание указанных слоев в канале МГД-генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности. Этот способ предполагает периодическое использование системы импульсного электрического разряда с характерным временем импульса 10^-4 с, в течение которого концентрация электронов в электропроводном плазменном слое должна вырасти до значений 10¹⁴ см^-3.

При такой "медленной" ионизации электронный газ успевает передать значительную часть своей тепловой энергии атомарному газу, в результате чего газ в объеме электропроводного слоя нагревается и повышает давление. Область повышенного давления начинает газодинамическое расширение, при котором плотность газа падает. В областях с пониженной плотностью (т.е. там, где повышенная концентрация электронов привела к мощному выделению тепла) будет повышена электронная температура, что еще дополнительно усилит ионизацию и выделение тепла. Фактически произойдет развитие ионизационной неустойчивости, из-за которой разряд становится неоднородным, в нем развиваются ионизационная турбулентность, и эффективная электропроводность при этом резко падает.

Известен способ [2] преобразования тепловой энергии в МГД-генераторе замкнутого цикла, включающий разгон потока инертного газа, создание в потоке перед входом в канал МГД-генератора периодических по времени слоев с повышенной электропроводностью, перемещение и самоподдержание указанных слоев в канале МГД-генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности. В этом способе для создания слоев с повышенной электропроводностью предлагается использование импульсных пучков электронов высокой энергии для формирования неравновесно ионизованных плазменных сгустков в потоке инертного газа. При этом мощность электронных пучков определяется условием

n_e>n_саха(T_ion),

где n_e - концентрация электронов в электропроводных сгустках;

n_саха - равновесная концентрация электронов, определяемая из уравнения Саха;

T_ion - пороговая температура электронов, с которой начинается лавинообразная ионизация (к примеру для неона T_ion 18000К).

При выполнении условия 4000К<T<T, где Т_е - температура электронов в плазменных слоях, в инертных газах происходит значительное снижение скорости рекомбинации в тройных столкновениях. Плазма оказывается в состоянии "замороженной ионизации", при котором сохраняется высокая концентрация электронов (n_e~10¹⁴ см^-3), что с одной стороны обеспечивает эффективный магнитогидродинамический процесс в канале МГД-генератора, а с другой в такой плазме электропроводность зависит от электронной температуры как ~Т^-12_e, что препятствует развитию в плазме диссипативных неустойчивостей, таких как ионизационная и перегревная.

Недостатком способа является то, что достижение плотности электронов 10¹⁴ см^-3 только за счет ионизации электронным пучком представляется проблематичной задачей (как правило, существующие устройства формируют электронные пучки, позволяющие получить в потоке газа n_e~10¹⁰ см^-3). Кроме того, ионизация электронным пучком оставляет холодным газ в объеме неравновесного плазменного сгустка, что должно привести к образованию в этом объеме молекулярных ионов. В свою очередь молекулярные ионы быстро рекомбинируют в парных столкновениях с электронами, концентрация свободных электронов при этом резко снижается и эффект "замороженной ионизации" исчезает.

В основу изобретения положена задача создания условий, при которых в неоднородном газоплазменном потоке в плазме будет сохраняться явление "замороженной ионизации".

Поставленная задача достигается тем, что в магнитогидродинамическом способе преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, включающем 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 электропроводных слоев в канале МГД-генератора за счет энергии потока, снятие полезной мощности, согласно данному изобретению, 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 с характерным временем разряда не более 210^-6 с, которым однородно повышают концентрацию электронов в предварительно ионизованном электропроводном слое, при этом напряжение разряда подбирают так, чтобы концентрация электронов к моменту выключения тока разряда составила (0,81,5)10¹⁵ см^-3.

"Быстрая" ионизация в сильноточном разряде с характерным временем действия не более 2•10^-6 c (условие установлено в ходе численного эксперимента на математической модели) резко повышает концентрацию электронов, которые не успевают обменяться энергией с нейтральным газом, поэтому процесс развивается на фоне постоянных газовых температур и давлений. В этом случае, в областях с повышенной концентрацией электронов из-за преобладания столкновений электрон - ион над столкновениями электрон -нейтральный атом снижается длина свободного пробега электрона и, соответственно, снижается электронная температура. Таким образом, в "быстром" сильноточном разряде в отличие от "медленного" разряда температура электронов будет снижаться в областях с повышенной ионизацией, что подавит ионизационную неустойчивость и сделает разряд однородным во всей области, предварительно ионизованной электронным пучком. После выключения электрического поля рекомбинация в тройных столкновениях, пропорциональная n³_е, происходит достаточно быстро (с характерным временем 10^-4 с) до уровня концентрации n_e 10¹⁴ см^-3, после чего скорость рекомбинации резко снижается. Поток газа вносит плазменный сгусток в магнитное поле МГД-генератора, где за счет индуцированного электрического поля в плазме устанавливается температура электронов на уровне 10⁴ K. Реализация режима с "замороженной ионизацией" в данном случае оказалась возможной благодаря избыточной ионизации (0,810¹⁵ см^-3 1,510¹⁵ cм^-3) плазмы в сильноточном разряде. Последующая рекомбинация до уровня n_e 10¹⁴ см^-3 приводит к выделению энергии затраченной на ионизацию в виде тепла, которое повышает температуру тяжелых частиц (нейтральных атомов и ионов) в плазме до 3500К-4000К. Границы этого температурного диапазона определились в ходе численного моделирования процесса рекомбинации плазмы, для которой уровень ионизации задавался из интервала (0,81,5)10¹⁵ см^-3. При температуре 3500К - 4000К молекулярные ионы не образуются, и процесс рекомбинации может осуществляться только медленным механизмом трехчастичного столкновения. Если по завершению импульсного сильноточного разряда концентрация электронов окажется меньше чем 0,810¹⁵ см^-3, то соответственно температура тяжелых частиц в плазме будет ниже 3500К и в плазме будут образовываться молекулярные ионы. При концентрации выше 1,510¹⁵ см^-3 температура будет превышать 4000К, что не препятствует режиму "замороженной ионизации", но этот режим требует неоправданных затрат энергии.

На чертеже показано устройство для осуществления предложенного способа.

Устройство содержит сверхзвуковое сопло 1, систему 2 импульсной инжекции электронного пучка, систему 3 импульсного сильноточного разряда, электроды 4 канала МГД-генератора, обмотку 5 электромагнита, электропроводные слои плазмы 6, канал 7 МГД-генератора, систему 8 питания нагрузки, нагрузку 9.

Способ осуществляется следующим образом.

Нагретый инертный газ (например, неон), температура которого может выбираться из диапазона 1500К<Т<3000К, разгоняют в сверхзвуковом сопле 1. Перед входом в канал МГД-генератора периодически с помощью системы 2 инжектируют пучок электронов высокой энергии, в результате чего в газовом потоке возникает локальная область с начальной концентрацией электронов ~10¹⁰ см^-3. Затем, включением системы 3 импульсного сильноточного разряда, из области начальной ионизации формируют плазменный сгусток с концентрацией электронов 10¹⁵ см ^-3. Далее газовый поток вносит в МГД-канал 7 электропроводный плазменный сгусток 6, в котором из-за снижения концентрации электронов до 10¹⁴ см^-3 повышается температура тяжелых частиц до 3500К-4000К. Здесь плазма замыкается на электроды 4. Индуцированный движением плазмы в поперечном магнитном поле, создаваемом обмоткой 5 электромагнита, электрический ток преобразуют системой 8 питания нагрузки. Полезная мощность выделяется в нагрузке 9. Этим же электрическим током, протекающим по плазме, поддерживают температуру электронов на уровне ~10⁴ K и таким образом, выполняют условия поддержания плазмы в состоянии "замороженной ионизации".

Для численного исследования процесса инициирования плазменного сгустка в потоке инертного газа была создана расчетная модель, в которой совместно с уравнениями магнитной газодинамики решались уравнения многоуровневой ионизационной кинетики, включавшие следующие элементарные процессы: столкновение возбужденных атомов с электронами, радиационные переходы, дезактивирующие столкновения с атомами, образование молекулярных ионов, процессы рекомбинации в двойном столкновении молекулярного иона и электрона и тройном столкновении атомарного иона и двух электронов. Константа скорости реакции возбуждения из основного состояния определялась в результате численного решения кинетического уравнения Больцмана с учетом неравновесной заселенности первого возбужденного состояния. Кинетическая модель тестировалась путем сопоставления расчетных результатов с экспериментальными данными по значениям коэффициентов Таунсенда и с экспериментальными данными по свойствам контрагированного разряда в неоне. Факт хорошего совпадения расчетных и экспериментальных результатов говорит об адекватности модели реальному процессу.

Численное моделирование генераторного процесса, реализующего описанный способ, показало, что в потоке неона с параметрами торможения Г=2000К, Р=1 МПа может быть осуществлен процесс преобразования тепловой энергии в электрическую с показателями эффективности: степень преобразования энтальпии - 39%, адиабатический КПД - 78%.

Установка с такими параметрами позволит создать для наземной энергетики МГД - электростанцию, включающую парогазовую установку, с общим КПД порядка 60%, а в случае космического применения совместно с солнечными концентраторами излучения в качестве теплового источника бортовую энергоустановку замкнутого цикла с уровнем удельной мощности порядка 600 Вт/кг, что примерно в двадцать раз выше, чем у используемых в настоящее время панелей солнечных элементов.

Источники информации

1. Slavin V.S., Zelinsky N.I., Lazareva N.N., Persianov P.G., "Disk Closed Cycle MHD Generator with Faraday Type Channel Working on Pure Noble Gas" (Дисковый МГД-генератор замкнутого цикла с каналом фарадеевского типа, работающий на чистом инертном газе), статья в сборнике трудов Международной конференции "11-th Intern. Conf. on MHD Electrical Power Generation", Vol. 4, pp. 1190-1198., Академия наук Китая. - Пекин, 1992.

2. Славин B.C., Данилов В.В. Магнитогидродинамический способ преобразования тепловой энергии в электрическую замкнутого цикла, Патент РФ №2110131, 1998 г.