Магнитогидродинамический генератор
Изобретение относится к магнитогидродинамическому преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию. Технический результат состоит в повышении эффективности, упрощении конструкции, расширении функциональных возможностей. Магнитогидродинамический генератор содержит магнитную систему, источник излучения, канал с электродами, предназначенный для пропускания потока нагретого рабочего газа, содержащего основной газ и присадку. В выходном сечении канала установлен элемент ввода излучения от источника излучения в канал. Элемент ввода выполнен из тугоплавкого материала. Длина волны излучения источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки, или длина волны излучения источника излучения составляет не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа. Источник излучения расположен напротив элемента ввода излучения. 9 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к магнитогидродинамическому (МГД) способу преобразования энергии.
Известен магнитогидродинамический генератор по патенту GB №2451290 (заявка №0714620.2, дата приоритета 26.07.2007 г.), в котором источник излучения расположен вокруг магнитогидродинамического генератора (МГД-генератора). Источник ультрафиолетового излучения осуществляет ионизацию циркулирующего в генераторе рабочего газа, содержащего присадку щелочного металла. Ионизация газа источником излучения осуществляется до тех пор, пока он не пройдет через канал МГД-генератора.
Недостатком известного МГД-генератора является ограниченная эффективность ионизации газа, осуществляемой в результате воздействия источника излучения ультрафиолетового диапазона. Кроме того, в известном решении сложной является система ввода излучения от источника излучения в генератор, т.к. источник излучения по известному патенту должен охватывать всю конструкцию МГД-генератора, что обусловливает большие габариты источника и усложняет конструкцию всего генератора. Также необходимо выполнение специальных требований к материалу, из которого изготовлен генератор, т.к. отдельные элементы конструкции генератора, вокруг которых расположен источник излучения, должные быть тугоплавкими и прозрачными в ультрафиолетовом диапазоне, поскольку они одновременно являются элементами ввода излучения.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - повышение эффективности работы МГД-генератора, упрощение конструкции генератора, расширение функциональных возможностей МГД-генератора.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в магнитогидродинамическом генераторе, содержащем магнитную систему, источник излучения, канал с электродами, предназначенный для пропускания потока нагретого рабочего газа, который содержит основной газ и присадку, в выходном сечении канала установлен элемент ввода излучения от источника излучения в канал, при этом элемент ввода выполнен из тугоплавкого материала, длина волны излучения источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки, или длина волны излучения источника излучения составляет не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа, источник излучения расположен напротив элемента ввода излучения.
Возможно, чтобы источник излучения был выполнен в виде газоразрядной лампы.
Возможно, чтобы источник излучения, выполненный в виде газоразрядной лампы, был снабжен рефлектором, предназначенным для создания направленного потока излучения.
Источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что и присадка.
Источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах ртути.
Источник излучения может быть выполнен в виде лазера с длиной волны, соответствующей длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
Источник излучения может быть выполнен в виде лазера с длиной волны излучения, составляющей не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
Целесообразно, чтобы источник излучения был расположен таким образом, чтобы обеспечить максимальное перекрытие потоком его излучения объем рабочего газа в канале.
Источник излучения может быть расположен напротив выхода канала.
Источник излучения может быть расположен в канале генератора.
В заявляемом решении источник излучения обеспечивает возбуждение находящихся в магнитном поле атомов присадки и ионизацию уже возбужденных атомов присадки, находящихся в магнитном поле. Сечение фотовозбуждения атомов больше, чем их сечение фотоионизации (В.А.Астапенко. Приближенные методы в теории взаимодействия фотонов и электронов с атомами. М.: МФТИ, 2002, стр.14; Д.И.Блохинцев. Основы квантовой механики. М.: Высшая школа, 1963, стр.357; Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987, стр.62-63; Физические величины: справочник. Под ред. И.С.Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1991 г., с.410), следовательно, при воздействии излучения от источника излучения будет возбуждено большее количество атомов присадки, чем количество атомов присадки, которые будут ионизированы при воздействии излучения от источника излучения, как в прототипе. В заявляемом решении в результате воздействия излучения от источника излучения понижается энергия ионизации, что увеличивает степень ионизации атомов присадки. Тем самым повышается эффективность заявляемого решения по сравнению с известным.
Заявляемое изобретение направлено на то, чтобы увеличить КПД преобразования тепловой энергии в электрическую и упростить конструкцию МГД-генератора.
Для этого конструкция заявляемого МГД-генератора содержит источник излучения, обеспечивающий фотовозбуждение и фотоионизацию возбужденных атомов присадки.
В канал МГД-генератора газ поступает в нагретом состоянии, при нагреве газа происходит его ионизация. Степень ионизации рабочего газа может быть повышена в результате понижения энергии ионизации возбужденных атомов присадки под воздействием излучения от источника излучения на рабочий газ, что обеспечивает условия для ионизации атомов присадки, не ионизованных при обычном нагреве газа.
Длина волны излучения источника излучения для достижения заявленного технического результата должна соответствовать длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки рабочего газа, или должна быть не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа. В обоих случаях становится возможным повышение до необходимой величины степени ионизации присадки рабочего газа.
Если длина волны излучения источника излучения не превышает длину волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа, в этом случае часть атомов присадки в канале МГД-генератора ионизируется в процессе нагрева газа, а некоторая часть атомов присадки, не ионизованная такими способами, ионизируется в результате воздействия излучения источника излучения. Таким образом, увеличивается количество ионизованных атомов присадки рабочего газа, следовательно, обеспечивается увеличение проводимости рабочего газа.
В случае если длина волны излучения источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки рабочего газа, тогда результат воздействия источника изучения выражается в том, что он обеспечивает понижение энергии, необходимой для ионизации атомов присадки на величину, равную энергии возбуждения. Известно, что атомы элементов характеризуются энергией ионизации и энергией возбуждения. Например, энергия ионизации цезия (Cs) равна 3,89 эВ, а его энергия возбуждения равна 1,39/1,45 эВ (Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света. М.-Л.: Энергия, 1966 г., с.29). Это означает, что для ионизации атомов цезия из невозбужденного состояния требуется энергия, равная 3,89 эВ; а для ионизации возбужденных атомов цезия требуется энергия, равная (3,89-1,39/1,45) эВ, т.е. существенно меньшая. Следует учесть, что при возбуждении атомов присадки увеличивается также и эффективность их ионизации, т.к. сечение ионизации возбужденных атомов как фотонами, так и электронами по сравнению с невозбужденными много больше (Ключарев А.Н., Безуглов Н.Н. Процессы возбуждения и ионизации атомов при поглощении света. Л.: издательство Ленинградского университета, 1983 г., с.150, 151; Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987, стр.62-63).
Понижение энергии ионизации у возбужденных атомов присадки приводит к тому, что та часть находящихся в магнитном поле атомов присадки, которая не могла быть ионизована в результате нагрева от источника тепла (в результате недостаточной энергии для ионизации атомов присадки), может быть ионизована в результате нагрева после их возбуждения, а также в результате фотоионизации под действием теплового излучения, идущего от источника тепла и нагретых стенок канала генератора, или излучением другого источника излучения.
В результате такого одновременного воздействия на атомы рабочего газа этих факторов обеспечивается необходимая степень ионизации рабочего газа и требуемая проводимость рабочего газа.
Повышение степени ионизации находящихся в магнитном поле атомов присадки рабочего газа, приводящее к повышению проводимости рабочего газа, позволяет понизить нижнюю температуру рабочего газа. Повышение проводимости рабочего газа также приводит к снижению тепловых потерь в генераторе в результате джоулевого тепловыделения в его канале.
Источник излучения может быть выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что является присадкой в рабочем газе МГД-генератора или на парах других металлов (например, ртути).
Источник излучения может быть выполнен в виде в виде лазера. При этом лазер должен быть снабжен оптическим элементом, предназначенным для формирования и расширения потока его излучения.
Возможно использование одновременно нескольких источников излучения с разными длинами волн, например источников излучения с длиной волны, не превышающей длину волны, определяемую энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа; и источников излучения, имеющих длину волны, соответствующую длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки рабочего газа.
Расположение и направление излучения источника излучения должно быть таково, чтобы его излучение максимально эффективно перекрывало объем рабочего газа в МГД-канале.
В заявляемом МГД-генераторе нет необходимости располагать источник излучения вокруг всей конструкции генератора, достаточно расположить источник излучения с элементом ввода у выхода канала. Это снижает требования к материалам конструкции генератора, т.к. тугоплавким и одновременно прозрачным должен быть только элемент ввода, понижается и температура эксплуатации элемента ввода излучения при расположении его на выходе канала генератора - самой менее нагретой части МГД-генератора. В заявляемом МГД-генераторе возможно использовать одновременно несколько источников излучения, обеспечивающих одновременно фотовозбуждение находящихся в магнитном поле невозбужденных атомов присадки и фотоионизацию находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки, что расширяет его функциональные возможности.
Воздействие на присадку в рабочем газе излучения от источника излучения позволяет:
- обеспечить понижение температуры ионизованного газа при обеспечении необходимой его проводимости;
- повысить проводимость рабочего газа вследствие воздействия на атомы присадки источника излучения;
- снижение тепловых потерь в канале генератора.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом.
На фиг. изображена принципиальная схема продольного осевого сечения МГД-генератора. МГД-генератор содержит: камеру 1 с теплоизолирующими стенками, которые изнутри покрыты отражающим тепловое излучение составом, внутри камеры 1 с зазором от ее стенок находится источник 2 тепла, канал 3 с электродами 4, состыкованный своим входным отверстием с выходным отверстием камеры 1, магнитную систему 5, создающую магнитное поле в канале 3, тугоплавкий элемент ввода 6 излучения, выполненный из прозрачного материала, пропускающий излучение в канал 3 генератора, расположенный по оси канала 3 со стороны его выхода. Рабочий газ представляет собой смесь из основного газа - аргона и присадки - цезия. Источник 7 излучения выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что и присадка (цезиевая лампа). Цезиевая газоразрядная лампа применяется для возбуждения находящихся в магнитном поле атомов цезия в канале генератора. Источник 7 излучения, выполненный, например, в виде кольцеобразной газоразрядной лампы с рефлектором 8, расположен напротив выхода МГД-канала. Рефлектор 8 предназначен для создания направленного излучения от источника 7 излучения. Генератор содержит газопроницаемые тепловые экраны 9, находящиеся между стенками камеры нагрева и источником 2 тепла на некотором расстоянии относительно их и друг от друга. Газопроницаемые тепловые экраны 9 предназначены для уменьшения тепловых потерь в камере 1 и увеличения температуры нагрева рабочего газа. Экраны 9 могут быть выполнены из металла с зеркальной поверхностью с отверстиями.
Заявляемый МГД-генератор работает следующим образом: рабочий газ, состоящий из Ar+0,2 ат.% Cs, нагнетается компрессором 10 (например, газотурбинным) в пространство между камерой 1 и расположенным внутри нее источником 2 тепла, который отделен от стенок камеры 1 серией газопроницаемых тепловых экранов 9. Газ проходит через тепловые экраны 9 и источник 2 тепла, нагревается и попадает в канал 3. В канале легкоионизируемая присадка рабочего газа ионизируется в результате одновременного воздействия теплового излучения от источника 2 тепла и излучения источника 7, а также термической ионизации возбужденных и невозбужденных атомов присадки. Ионизированный газ, проходя через канал 3 поперек магнитного поля, созданного в канале 3 магнитной системой 5, совершает работу против тормозящей электромагнитной силы, в результате чего между электродами 4, расположенными в канале 3 генератора, возникает электродвижущая сила. В канал 3 излучение от источника 7 попадает через тугоплавкий элемент 6 ввода.
1. Магнитогидродинамический генератор, содержащий источник излучения, канал с электродами и магнитную систему, канал предназначен для пропускания потока нагретого рабочего газа, который содержит основной газ и присадку, в выходном сечении канала установлен элемент ввода излучения от источника излучения в канал, при этом элемент ввода выполнен из тугоплавкого материала, длина волны излучения источника излучения соответствует длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки, или длина волны излучения источника излучения составляет не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки рабочего газа, источник излучения расположен напротив элемента ввода излучения.
2. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде газоразрядной лампы.
3. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения, выполненный в виде газоразрядной лампы, снабжен рефлектором, предназначенным для создания направленного потока излучения.
4. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде газоразрядной лампы на парах того же металла, что и присадка.
5. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде газоразрядной лампы на парах ртути.
6. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде лазера с длиной волны, соответствующей длине волны, определяемой энергией возбуждения находящихся в магнитном поле атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
7. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения выполнен в виде лазера с длиной волны излучения, составляющей не более длины волны, определяемой энергией ионизации находящихся в магнитном поле возбужденных атомов присадки, при этом лазер снабжен оптическим элементом, предназначенным для расширения потока излучения лазера.
8. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения расположен таким образом, чтобы обеспечить максимальное перекрытие потоком его излучения объем рабочего газа в канале.
9. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения расположен напротив выхода канала.
10. Магнитогидродинамический генератор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения расположен в канале генератора.
