Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме



Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме
Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме
Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме
Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме

 


Владельцы патента RU 2457559:

Широков-Брюхов Евгений Фёдорович (RU)

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в стационарной, транспортабельной и транспортных установках как автономно, так и в составе других энергетических установок, как с совпадающими параметрами рабочих тел, так и несовпадающими параметрами пара, причем позволяет расширить применение комбинированных установок малой, средней и большой мощности. Энергетическая установка конструктивно выполняется в виде герметичного замкнутого контура, внутри и снаружи которого размещено оборудование: валоповоротное устройство, мотор-генератор, турбокомпрессор, работающий на плазмохимических реакциях с катализатором, облучатели СВЧ, пароперегреватель, испарительно-экономайзерный участки с сепаратором и контуром многократно принудительной циркуляции на котловой воде, сепаратор по насыщенному пару соединен с пароперегревателем установки и паропроводом насыщенного пара с посторонним источником через задвижку, в случае несовпадения параметров насыщенного пара используется струйный аппарат (эжектор). Техническим результатом является повышение безопасности и эффективности получения тепловой и электрической энергий при автономном применении, а при использовании с другими энергетическими установками позволяет увеличить отдаваемую мощность потребителю при сокращении до 2-3 раз удельной себестоимости тепловой и электрической энергий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения тепловой и электрической энергий как автономно, так и в составе других энергетических установок - стационарных, транспортабельных и транспортных, причем позволяет расширить применение комбинированных энергетических установок средней и большой мощности не только в базовом режиме, но и в пиковых, частичных режимах, в аварийных ситуациях и диспетчерских режимах при локальном применении и в сетях.

В основу разработки энергетической установки положены теоретические разработки и экспериментальные исследования, проведенные в ИАЭ им. И.В.Курчатова отделом В.А.Легасова в 1970-1978 годах, по результатом этих работ было выпущено 8 сборников статей, по материалам которых и проведены разработки.

В основу процессов, происходящих в замкнутом контуре, положены реакции в смеси углекислого газа и водяного пара при давлении около 2,0 МПа и облучении сверхвысокочастотным (СВЧ) радиополем (ориентировочная частота около 2200 МГц). При указанных частотах сечения поглощения радиоизлучения углекислым газом превышают примерно в 200 раз сечения поглощения остальных элементов смеси в потоке газа. Это приводит к тому, что в смеси потока происходит разложение углекислого газа при затратах энергии 2,89 эВ/мол. с образованием неравновесных реакций: CO2≥CO+1/2O2+Q=2,89 эВ/мол., далее в смеси облученных углекислого газа и водяного пара идет более 20 неравновесных реакций без затрат энергии, но основной реакцией является CO+H2O→CO2+H2, причем эффективность образование H2 и O2 зависит от соотношения частей ионизированных и неионизированных газов.

Однако в первой реакции образуется O2, а во второй реакции образуется H2, допустимо ли это, так как при нормальных условиях предельные концентрации водорода в кислороде минимальная 4,5%, а максимальная до 95% приводят к цепным реакциям - взрыву. Из многочисленных источников известно значения температур воспламенения и пределы взрываемости некоторых газов в статической смеси с воздухом или кислородом при атмосферном давлении. Эксперименты показали, что в статических условиях при нормальном давлении (привожу часть таблицы «Температура воспламенения и пределы взрываемости некоторых газов в смеси с воздухом или кислородом») следует ожидать:

Наименование Температура воспламенения, °C Пределы взрываемости газа, % по объему
1 2 3 4 5
- с воздухом с кислородом с воздухом с кислородом
Водород 350-590 450-590 4,1-75 4,5-95
Окись углерода 610-658 590-658 12,5-75 13-95
(Для сравнения) Ацетилен 335-440 350-440 1,95-82 2,8-93

При наличии в смеси газов после облучения разбавителей (углекислый газ) и ингибиторов (водяной пар) при повышенном давлении нижний предел взрываемости водорода в кислороде ожидается не ниже 60-65% по объему.

В нашем случае при замкнутом контуре и повышенном давлении смеси не достигаются указанные пределы, так как водяной пар и углекислый газ являются разбавителями, а водяной пар является дополнительно еще и ингибитором. Установка пожаро- и взрывобезопасна.

Экспериментально установлено, что ионизированная смесь углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении и температурах смеси потока газов ~350-400°C относительно медленно окисляется. При скорости потока смеси около 30-40 м/с по контуру влияние спонтанного окисления на характеристику состава потока незначительно.

Для того чтобы провести реакцию окисления водорода в потоке, приходится прибегать к катализатору, которым может быть платина или палладий, нанесенному на внешнюю поверхность тепловых электрических нагревателей (ТЭНов). На поверхности ТЭНов образуется каталитическая зона окисления водорода кислородом в виде беспламенного горения, сдуваемая потоком смеси газов. Теоретически можно получить температуру по верхнему пределу около 6500°C, но в данной конструкции этого не требуется и, исходя из стойкости и прочности материалов конструкции, необходимо ограничиться температурным пределом до 650-700°C, то есть при степени ионизации потока около 8-12% по объему.

Вторым важным внутренним свойством замкнутого контура является образование в результате реакций конверсии более 20 неравновесных реакций с получением в потоке смеси углекислого газа и водяного пара электронов и ионов. При отношении ионизированных элементов к неионизированным в потоке смеси газов за камерой облучения и катализаторами около 10% смесь приобретает свойства сверхпроводимой плазмы, причем концентрации водорода и кислорода лежат до допустимых пределах по пожаро- и взрывобезопасности. Причем плазма относительно медленно окисляется. Это свойство плазмы использовано в данной разработке.

Одновременно возникает вопрос: «Возможна ли работа такой установки, не скрыт ли в разработке «вечный двигатель»? Анализ процессов при работе установки показал, что в замкнутом контуре затрачивается энергия: на компрессию потока - на турбокомпрессор с коэффициентом полезного действия (КПД) около 0,8, на работу оборудования камеры облучения с КПД 0,9-0,8, на подогрев катализаторов ТЭНов до 350-380°C, далее это тепло отдается потоку смеси газов в МГДГ для создания магнитного потока в сопловых щелях и разгона плазмы до звуковых скоростей, КПД ожидается не хуже 0,85 из-за использования в магнитах керамики с высокой относительной магнитной проницаемостью около 900000-950000 и обмоток магнитов из труб, по которым протекает плазма, близкая к сверхпроводимости. Суммарное энерговыделение за соплами МГДГ воспринимается испарительно-экономайзерным участками для подогрева до насыщения котловой воды и получения насыщенного пара, поступающего в сепаратор и к пароперегревателю, в который может быть подан пар от постороннего источника. КПД эл. МГДГ около 0,6-0,65, а в целом КПД эл. установки около 0,5-0,55. Энергия берется за счет дефекта массы водорода воды (пара) (см. табл.):

Теплота сгорания некоторых горючих газов часть таблицы 160
Наименование Плотность, кг/м3 Высшая Низшая
кДж/кг кДж/м3 кДж/кг кДж/м3
Водород 0,08989 142083 12778 119562 10760
Окись углерода 1,250 10161 12703 - -
Ацетилен 0,65 49882 58197 48144 56103 (для сравнения)

Для определения характеристик МГДГ использовались расчетные методы:

Термодинамики:

1. Критическая скорость звука в сопловой щели рассчитывалась по следующим формулам: V*=a02/k+1=(2gk/k+1)*P0*v0 [м/с];

2. Давление, при котором достигается критическая скорость в горле сопловой щели:

E*=Pi/P0=(2/k+1)k/k-1.

Ожидаемая критическая скорость плазмы в горле сопловой щели при параметрах потока: tсм=350-400°C; P0=(5,5-6,0) МПа; v0=0,0405 м3/кг; к~1,3; V*=530-550 м/с, а степень сжатия в компрессоре e*=~2,5-3,5.

Для повышения КПД электрического МГДГ на холодной плазме необходимо использовать магнитные цепи из керамики с относительной магнитной проницаемостью не хуже 900000-950000, а в обмотках электромагнитов использовать изолированные снаружи медные трубы, по которым пропускать малую часть сверхпроводимой плазмы для охлаждения сердечников магнитов и получения токов в обмотках электромагнитов около 100000 A, при этом магнитный поток в сопловой щели составит не менее (30-100)*103 Вб (В*с). Значение снимаемого постоянного тока с сопел около 10000 A и напряжением до 1 кВ. Некоторые сложности ожидаются с использованием в «роторе» обмотки «беличья клетка», так как в зафиксированном «роторе» ожидаются токи короткого замыкания, которые без экспериментальных данных авторы не смогли определить расчетным анализом. Следует добавить, что электрические и магнитные характеристики МГДГ необходимо определять в системе СИ, так как в настоящее время в справочниках и справочных таблицах присутствует некоторая путаница в данных - до пяти систем размерности магнитных и электрических величин. Поставленная задача получения тепла и электрической энергии за счет плазмохимических реакций решается установкой, выполненной согласно предложенной конструкции.

Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором (МГДГ) на холодной плазме, включает в конструкцию: замкнутый циркуляционный контур, заполненный смесью углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении, конструктивно выполняется из двух параллельных труб, соединенных по торцам Г-образными коленами. Снаружи и внутри контура размещено следующее оборудование: валоповоротное устройство, электрический мотор-генератор, компрессор, за которым установлен неподвижный защитный блок сопел Вентури, и газопаровая турбина, соединенные одним валом. В промежутке между блоком сопел Вентури и направляющим аппаратом газопаровой турбины, снаружи контура установлен сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор радиоволн, которые направляются через никелевую диафрагму в контур по цилиндрическому волноводу, причем диафрагма должна быть разогрета до 340-360°C потоком СВЧ или подогревателем, в этом случае никелевая диафрагма переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние, прозрачное для радиоволн. Внутри контура располагается следующее оборудования: центробежный осевой компрессор, защитный блок сопел Вентури, диафрагмы в камере облучения СВЧ, катализатор-активатор (дожигатель водорода и кислорода из смеси газов), диафрагмы и рабочие колеса парогазовой турбины, работающей на смеси водяного пара и углекислого газа, что допустимо, так как скорости звука при указанных выше параметрах совпадают. Далее установлен пароперегреватель, конструктивно выполненный из пучков гладких трубок, объединенных входными и выходными коллекторами, за пароперегревателем установлены дополнительные камера облучения с волноводами и диафрагмами и катализатор-активатор. Блоки МГДГ, выделенные в особую группу, состоящую из нескольких цилиндрических корпусов, каждый корпус представляет собой аналог асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора типа «беличьего колеса», но закрепленного от перемещения и проворачивания, в зазорах между статором и ротором установлено несколько щелевых сопел. В нашем случае каждый МГДГ имеет по несколько щелевых сопел, каждое сопло имеет постоянную высоту (высота зазора между статором и «ротором») и диффузор, конструктивно выполненный в виде прямоугольной трапеции, которая частично огибает статор и «ротор» и плоскими стенками опирается на них, боковые стороны трапеции конструктивно выполнены в виде гребенки с зубьями параллельно боковой стороне трапеции для уменьшения контактного сопротивления между боковой стороной сопла - съемной шиной и плазмой и являются съемниками постоянного тока, которые могут быть включены как последовательно, так и параллельно у каждого МГДГ и в группе.

Через все трубчатые обмотки электромагнитов проходит для создания сверхпроводимого электрического проводника и охлаждения магнитных цепей статора и «ротора» незначительная часть потока плазмы.

«Ротор» закреплен и неподвижен, такая конструкция сопла и сопряжения с электромагнитами «ротора» и статора позволяют использовать повышенные давления смеси газов в герметичном контуре и сократить до минимума магнитные потери в МГДГ. В соплах происходит снижение давления и температуры парогазовой смеси, но одновременно происходит энерговыделение в щели сопла и трубчатых обмотках электромагнитов статора и «ротора» за счет магнитного потока, выделенное тепло от которых отводится локальными и общим потоком плазмы. Для того чтобы использовать тепло потока парогазовой смеси за МГДГ, установлен испарительно-экономайзерный участок, который позволяет использовать тепло для получения насыщенного пара из питательной воды, снижая и стабилизируя температуру парогазового потока перед входом в компрессор.

Для того чтобы сохранить постоянную температуру парогазовой смеси перед входом в компрессор, используем контур котловой воды с многократно принудительной циркуляцией, который позволяет поддерживать постоянную температуру парогазовой смеси перед компрессором, но и позволяет работать замкнутому контуру в переменных режимах в пределах от 10 до 100% номинальной мощности.

Дополнительно в трубопровод насыщенного пара в районе сепаратора через паровую задвижку подсоединяется паропровод насыщенного пара от постороннего источника с примерно одинаковыми параметрами пара, если параметры пара отличаются в этих установках, то необходимо нивелировать давление между ними через смесительный струйный аппарат, причем среда с более высокими температурой и давлением должна быть эжектирующей, а среда с меньшими параметрами эжектируемой.

Для создания необходимого перепада давления на соплах МГДГ, циркулирующей смеси газов в различных режимах, в циркуляционный контур установлен кран сферический запорно-регулирующий параллельно блоку МГДГ, кран сферический необходим в следующих случаях: поток газопаровой смеси полностью проходит через МГДГ или при отсутствии необходимости использования МГДГ частично, при необходимости регулирования количества отдаваемого тепла и регулирования подаваемой электрической мощности постоянного тока для собственных нужд и отдаваемой энергии в сеть.

Аналогом могут служить Патенты на изобретение RU: №2291228,С2, МПК: C25B 1/02 «Реактор для получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизными методами», опубликовано 10.01.2007. Бюл. №1. И Патент на изобретение RU №2286402, С1, МПК: C25B 1/10; C01B 3/04 и 13/02 «Система получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами», опубликовано 27.10. 2006. Бюл. №30. Аналог рассчитан на стационарное расположение и применение оборудования, в нашем случае энергетическую установку можно использовать как в стационарном, транспортабельном, так и в транспортном применении, но процессы внутри контура, условия пожаро- и взрывобезопасности сохраняются и в транспортном исполнении.

Прототипом служит Заявка на изобретение RU регистрационный №2009148418, С1, МПК: F22G 1/04; C25 1/02; C25B 1/10; C01B 3/04 и 13/02: «Энергетическая установка для выработки тепла плазмохимическими реакциями с дожиганием», поступила на регистрацию 28.12.2009. Входящий №071514. В части использования замкнутого контура и частично оборудования, так как в настоящем предлагаемом изобретении энергетическая установка служит для получения тепла и электроэнергии и отличается конструктивно по составу оборудования.

Отличительной особенностью предлагаемого изобретения от прототипа является выработка электроэнергии МГДГ - статической установкой получения электроэнергии постоянного тока, которую можно использовать для питания собственных нужд и отдавать во внешнюю сеть. Эффективность получения электроэнергии постоянного тока - КПД эл. не хуже 0,60-0,65, что значительно выше КПД турбинных электрогенераторов и тем более аккумуляторных батарей как кислотных, так и щелочных. Следует отметить, что уровень мощности (в разумных пределах) и время подачи электроэнергии на собственные нужды и в сеть не ограничены одновременно с подачей потребителю тепла.

Схема и конструкция узлов «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме» представлена чертежами:

Фиг.1. Общая схема энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме. Горизонтальное сечение.

Фиг.2. Зависимость электропроводности смеси газов от степени ионизации.

Фиг.3. Общий вид крана сферического запорно-регулирующего. Разрез.

Фиг.4. Общий вид МГДГ. Разрез.

На фиг.1 представлено горизонтальное сечение «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме», где представлено необходимое оборудование для работы установки, за исключением систем: автоматического регулирования и управления, продувки-подпитки, систем аварийного вывода установки. Основу установки составляет циркуляционный контур, конструктивно выполненный из двух параллельных труб 1, по торцам герметично соединенных Г-образными коленами 2, 3, 4. Снаружи труб 1 установлены валоповоротное устройство 5, электрический мотор-генератор 6; внутри труб 1 установлены кожух 7 и вал 8 турбокомпрессора, компрессор 9, защитная плита 10 с блоком сопел Вентури, снаружи трубы 1 установлен генератор 11 СВЧ, волновод которого отделен от трубы 1 диафрагмой, пучок радиоволн от генератора 11 направлен в камеру 12 облучения газопаровой смеси по цилиндрическому волноводу через диафрагму. За камерой 12 установлен катализатор-активатор 13, служащий для дожигания смеси водорода и окиси углерода в кислороде с получением перегретого водяного пара и углекислого газа. Далее установлены блок диафрагм и рабочих колес газопаровой турбины 14. Для снижения и регулирования температуры парогазовой смеси за турбиной установлены входной коллектор 15, секции пароперегревателей 16 и 17, установленных противотоком и выполненных из гладких пучков труб, это связано с тем, что коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи труб близки по значениям, и на выходе коллектор 18. За блоком пароперегревателей 16 и 17 установлена вторая камера 19 облучения с генератором 20 СВЧ, волноводами и диафрагмами, за ними установлены катализатор-активатор 21 и кран 22 сферический запорно-регулирующий, в параллель крану 22 установлено несколько МГДГ 27. Эта схема установки МГДГ 27 позволяет работать автономно или в параллель с краном 22 на частичных режимах мощности. Каждый МГДГ 27 при неисправности может быть отключен от контура 1 задвижками 42 и 43 с электроприводами. Отработанная газопаровая смесь за задвижками 43 и краном 22 поступает на блок теплообменников: испарительный 44 и экономайзерный 45, которые установлены по противоточной схеме, конструктивно выполненные из пучков оребренных трубок с коэффициентом оребрения не ниже 15-20, так как этому значению соответствует отношение коэффициентов теплоотдачи внутри и с внешней стороны трубок, собранных во входном коллекторе 46 и выходном коллекторе 47. Схема циркуляции котловой воды собрана по многократно принудительной циркуляции (МПЦ): из сепаратора 48 котловая вода насосом 49 МПЦ подается в коллектор 46, проходит по экономайзерному участку 45, проходит испарительный участок 44, попадает в коллектор 47 и сепаратор 48, из которого насыщенный пар по трубопроводу 50 попадает в коллектор 15 пароперегревателей 16, 17, 18. Дополнительно предусмотрен трубопровод 51 с задвижкой запорно-регулирующей и смесительным струйным аппаратом для подачи насыщенного пара от постороннего источника. Контур МПЦ необходим по следующим причинам: учитывая, что в контуре 1 циркулирует газопаровая смесь и чтобы избежать точек росы на ступенях компрессора, температура смеси должна быть не ниже 290-300°C, мало того, компрессор должен быть рассчитан на такую входную температуру газопаровой смеси. При отклонениях входной температуры от заданной компрессор будет работать не в проектном режиме: высокие КПД и безаварийная работа компрессора не гарантирована.

На фиг.2 показана зависимость электропроводности газопаровой смеси в зависимости от степени ионизации, причем степень ионизации дана в % в логарифмическом масштабе, а электропроводность газопаровой смеси в линейных %. Из графика видно, что при степени ионизации 0,01% электропроводность от сверхпроводимости составляет 10%, при 0,1%-40%, при 1,0%-80%, при 10% ионизации электропроводность от сверхпроводимости составляет 98-99% - фактически плазма становится сверхпроводящей. Это справедливо для нашей конструкции.

На фиг.3 показана схематическая конструкция крана шарового запорно-регулирующего и сопряжение крана 22 с трубой 1. Конструктивно кран 22 выполнен сферической формы (подобная конструкция используется в нефтегазовой промышленности при высоких давлениях и больших сечениях трубопровода (до 5,0 м диаметром) и выпускался (выпускается) Пермским заводом нефтегазовой арматуры), соответственно пробка 23 крана 22 выполнена также сферической с фигурным вырезом для пропуска среды. Фигурный вырез необходим для регулирования расхода газопаровой смеси при высоком давлении в контуре. Пробка 23 крана 28 снабжена электроприводом 24, редуктором 25, грундбуксой 26.

На фиг.4 показана схематическая конструкция блока МГДГ 27 и его сопряжение с трубой 1, где блок МГДГ 27, кожух 28 статора, обмотка 29 трубчатая электромагнита статора, клемма 30 обмотки статора, соединенная с трубчатой обмоткой 29, клемма 31 сопла, кожух 32 изолятора клеммы 30, забор 33 плазмы обмоткой 29, сброс 34 отработанной плазмы обмоткой 29, колено 35 Г-образное напорное МГДГ 27, колено 36 Г-образное сбросное МГДГ 27, сопло 37 (несколько штук), расширяющееся с постоянной высотой щели (зазором между поверхностями электромагнитов статора и «ротора»), «ротор» 38 керамический с короткозамкнутыми трубчатыми обмотками типа «беличье колесо», который закреплен от проворачивания и осевого смещения, зазор 39 (высота) сопла, обмотка 40 «ротора» типа «беличье колесо», которая может быть изготовлена из стали и с протоком через них плазмы, сердечник 41 керамический электромагнита статора, задвижка 42 входная запорная с электроприводом, задвижка 43 выходная запорная с электроприводом.

«Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме», может работать в следующих режимах:

1. Режим холодного хранения

Состояние циркуляционного контура: давление снято, смесь газов разделена в холодильнике, вода подана на хранение в танки, углекислый газ осушен и подан на хранение в ресивер. Электропитание от оборудования контура отведено, клеммы отсоединены от сети, покрыты смазкой и изолированы от внешних воздействий и атмосферных осадков. Кроме валоповоротного 5 устройства электрическая схема которого собрана по временной подаче тока и вал периодически проворачивается. Трубопроводы отсоединены и заглушены, все внутренние полости отвакуумированы и заполнены инертным газом. На оборудовании, где трудно добиться плотности поместить емкости с селикогелем, в этом случае необходимо вести периодический контроль за состоянием внутренних поверхностей и селикогелем.

2. Режим горячего ожидания

Установка полностью собрана и укомплектована, подается насыщенный пар от постороннего источника по трубопроводу 51 в экономайзерно-испарительный участок 48, 49, 46; 45, 44, 47, 48, включен МПЦ 49, работает на малых оборотах компрессор 9 от мотор-генератора 6, турбина 14 проворачивается от мотор-генератора 6, прогреваются генератор СВЧ 11 и катализаторы-активаторы 13, подается от сепаратора 48 насыщенный пар по трубопроводу 50 в коллектор 15, трубные пучки 16 и 17 и коллектор 18, из которого конденсат сбрасывается на химическую водоочистку и в танки хранения конденсата. Включен и прогревается генератор СВЧ 20 с диафрагмами и волноводами, камера 19 облучения прогревается за счет минимальной циркуляции потока смеси газов, катализатор-активатор 21 включен на прогрев, кран 22 открыт на минимальный расход смеси газов и прогревается, задвижки 42 и 43 открыты и блоки МГДГ 27 прогреваются за счет потока смеси газов, по мере подъема температуры смеси газов и давления в циркуляционном контуре до номинала (2,0 МПа), увеличивают обороты компрессора 9, в начале за счет мотор-генератора 6, а потом принимает нагрузку турбина 14, в начале на холостых оборотах, а потом принимает нагрузку от компрессора 9 и мотор-генератора 6. После прогрева и пробных пусков МГДГ 27 включают их в работу, подавая электропитание на электромагниты статора и снимая электрическую энергию постоянного тока с внешних клемм 31, соединенных с токосъемными шинами сопла 37, с подачей постоянного тока на собственные нужды и к внешним потребителям (без конвертации и с конвертацией в переменный ток).

3. Режим работы установки для получения электрической энергии

Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газовая турбина 14,компрессор 9, мотор-генератор 6,генератор 11 СВЧ, катализатор-активатор 13, пароперегреватели 15, 16, 17, 18, работает генератор 20 СВЧ, камера 19 облучения потока смеси газа, катализатор-активатор 21, кран 22 прикрыт до минимально контролируемого расхода газопаровой смеси. МГДГ 27 работают на полную мощность, сбрасывая перегретую смесь газов после себя через задвижки 43 на систему испарительно-экономайзерного участка МПЦ 44, 45, 46, 49, 47, 48 для охлаждения газопаровой смеси. Полученный насыщенный пар по паропроводу 50 поступает на пароперегреватели 15, 16, 17 и коллектор 18, от которого пар подается внешнему потребителю. Дополнительно насыщенный пар можно сбрасывать по паропроводу 51 к внешнему потребителю. При работе на получение электрической, тепловой мощности или комбинированно, в любом случае необходимо подавать с контролируемым расходом насыщенный пар на пароперегреватели 15, 16, 17 и 18, так как позволяет регулировать и контролировать температуру смеси газов за турбиной 14 и перед входом в камеру облучения 19 с катализатором-активатором 21 и соответственно на входе перед задвижками 42 в МГДГ 27.

4. Режим работы установки для получения тепловой энергии

Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газовая турбина 14 и на одном валу 8 установленные с ней компрессор 9, мотор-генератор 6. Работают генератор 11 СВЧ, камера облучения газопаровой смеси 12, катализатор-активатор 13, пароперегреватели 15, 16, 17, 18. Не работают генератор 20 СВЧ, камера облучения 19, катализатор-активатор 21, МГДГ 27, задвижки 42 и 43 закрыты. Кран 22 открыт полностью и газопаровая смесь поступает на испарительно-экономайзерный участок для охлаждения циркулирующей водой по контуру МПЦ 48, 49, 46, 45, 46, 47 и 48, из которого насыщенный пар поступает в трубопровод 50 насыщенного пара и далее в пароперегреватели 15, 16, 17 и 18 к внешним потребителям.

5. Режим работы установки для получения тепла и электрической энергии за счет плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме.

Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газопаровая турбина 14 и на одном валу 8 установленные с ней компрессор 9, мотор-генератор 6. Работают генератор 11 СВЧ, камера 12 облучения газопаровой смеси, катализатор-активатор 13, пароперегреватель: коллектор 15, секции пароперегревателя из гладкотрубных пучков 16 и 17 и выходной коллектор 18, соединенный с паропроводом перегретого пара внешних потребителей. Работают генератор 20 СВЧ, камера 19 облучения газопаровой смеси, катализатор-активатор 21, открыты задвижки 42 и 43, подано электропитание на электромагниты статора 41, через трубчатые обмотки 29 статора и обмотки «беличьего колеса» «ротора» за счет перепада давления на соплах 37 протекает плазма, охлаждая их и одновременно являясь сверхпроводником. Дня уменьшения энерговыделения в теле магнитов используется не проводящая ток керамика: на магнитопроводе 41 статора и магнитопроводе 38 «ротора».

На блоки МГДГ подается через клеммы 30 электропитание статора, а с клемм 31, соединенных с шинами сопла 37, снимается электропитание постоянного тока для собственных нужд и внешних потребителей. Отработанная газопаровая смесь за соплами 37 поступает в колено 36 через задвижку 43 на испарительно-экономайзерные участки 44 и 45, выполненные из пучков оребренных труб с замыкающими коллекторами 46 и 47, между которыми установлены насос МПЦ 49 и сепаратор 48. Этот контур заполнен котловой водой, которая циркулирует за счет работы МПЦ 49 по испарительно-экономайзерному участку и за счет тепла газопаровой смеси вырабатывается насыщенный пар, далее поступающий в пароперегреватель и к внешнему потребителю.

6. Комбинированная работа «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме», возможна с другими энергетическими установками, такими как ядерные энергетические установки для производства пара и электроэнергии. Это возможно, так как в энергетической установке уровень температур газопаровой смеси в контуре циркуляции может быть в пределах 400-700°C, а мощность и соответствующее оборудование выбирается по техническому заданию. Следует отметить, что только перегрев насыщенного пара, получаемого в ядерной паропроизводящей установке (ЯППУ) с реакторами водо-водяного типа, может увеличить отдаваемую потребителю мощность в 1,7-1,8 раза без изменения параметров ЯППУ.

Технико-экономическое обоснование «Энергетической установки»:

1. «Энергетическая установка» в виде замкнутого контура вырабатывает тепло и электрическую энергию за счет плазмохимических реакций в смеси углекислого газа и водяного пара. Для работы установки не требуется постоянной подачи пропорционально установленной мощности органического топлива, подачи атмосферного воздуха и сброса в окружающую среду отработанных газов (дымовых газов).

2. Установка экологически чистая, за исключением зон генератора СВЧ и МГДГ, где возможно будет наблюдаться слабое ионизирующее излучение, обусловленное физическими процессами внутри этого оборудования. Радиационная защита легкая экранирующая может быть из стального листа или тонких бетонных плит и организационная, так как эти зоны не обслуживаемые.

3. Ожидаемый коэффициент полезного действия электрический МГДГ не хуже 60-65%, что в два раза выше, чем у энергетической установки с реактором ВВЭР-1000. Ожидаемый коэффициент полезного действия (электрический) турбогенератора, работающего на перегретом паре, ожидается не хуже 50-55%, что в 1,8 раза выше, чем у энергетической установки с реактором ВВЭР-1000.

4. Капитальные затраты «Энергетической установки» не более 20% от капитальных затрат по машинному залу (без турбогенератора), текущие затраты около 1% от текущих затрат по машинному залу энергетической установки с ВВЭР-1000.

5. «Энергетическая установка» может работать автономно и при накоплении достаточного опыта заменить пусковую котельную атомных электрических станций.

6. «Энергетическая установка» может работать совместно с ядерными энергетическими установками различной мощности и назначения. В итоге использования комбинированных установок: в пределе можем получить увеличение КПД, периода между перегрузками ядерного топлива до 2-3 раз с экономией ядерного топлива, снижением удельной стоимости электроэнергии и тепла не менее чем в два раза.

7. В комбинации с «Энергетической установкой» могут работать реакторные установки типа: АЭС с реакторами ВВЭР-1000, АЭС с реакторами РБМК-1000,1500 при замене турбогенераторов насыщенного пара на турбогенераторы перегретого пара - эффективность см. п.6.

8. В комбинации с «Энергетической установкой» соответствующей мощности могут работать и должны АТЭЦ с реакторами ВБЭР-100, 150, 200, 250, 300, 335, 420, а также плавучие АТЭС ММ, в которых можно ограничиться одним реактором при той же мощности и без снижения надежности, но при снижении капитальных и топливных затрат и удельной себестоимости электроэнергии и тепла не менее чем в два раза.

9. В комбинации с «Энергетической установкой» могут быть использованы транспортабельные и транспортные энергетические установки различного назначения, включая локомотивные, судовые, корабельные, аварийные, околоземные станции и для межпланетных перелетов, где «Энергетическая установка» используется как источник тепла и электроэнергии для собственных нужд корабля и обеспечения энергией движителя.

1. Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме включает в конструкцию:
- замкнутый герметичный циркуляционный контур, заполненный смесью углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении, конструктивно выполненный из двух параллельных труб, соединенных по торцам Г-образными коленами;
- снаружи и внутри контура размещено следующее оборудование: валоповоротное устройство, электрический мотор-генератор, компрессор, за которым установлен неподвижный защитный блок сопел Вентури с проходкой для кожуха и вала, соединенного с газопаровой турбиной;
- между защитным блоком сопел Вентури и турбиной расположены камера облучения газовой смеси полем сверхвысокочастотного (СВЧ) радиооблучения с генератором, разделительными металлическими диафрагмами, имеющими парамагнитные характеристики, цилиндрическими волноводами и отражателями СВЧ, за которыми установлен каталитический активатор, конструктивно выполненный как тепловой электронагреватель (ТЭН), наружная поверхность которого покрыта тонким слоем катализатора (любым стойким методом) платины (Pt) или палладия (Pd);
- далее установлены диафрагма, рабочие колеса турбины с диафрагмами и выходная спрямляющая поток газопаровой смеси диафрагма;
после рабочих колес газопаровой турбины и диафрагмы установлены: секции пароперегревателя, конструктивно выполнены из пучков гладких труб, объединенных распределяющими входными и собирающими выходными коллекторами;
- за входным распределяющим коллектором пароперегревателя снаружи контура установлен генератор СВЧ, а внутри контура - камера облучения газопарового потока полем СВЧ, передаваемого во внутреннюю полость контура волноводами и металлической диафрагмой, имеющей парамагнитные характеристики, поле СВЧ излучения направлено внутрь камеры облучения газопаровой смеси, а в самой камере облучения установлены отражатели СВЧ, имеющие высокий коэффициент альбедо;
- за камерой облучения установлены параллельно блоки цилиндрических магнитно-гидродинамических электрических генераторов (МГДГ), конструктивно выполненных аналогично асинхронным двигателям, но с зафиксированным ротором с обмоткой «беличье колесо», выполненной из труб, через которые протекает сверхпроводящая плазма, охлаждая «ротор», который зафиксирован от осевого перемещения и проворачивания, между статором и зафиксированным «ротором» установлено несколько щелевых расширяющихся сопел с постоянной высотой щели, конструктивно выполненных как трапеция, плоской поверхностью опирающихся на поверхности магнитов статора и «ротора», магниты выполнены из керамики с относительной магнитной проницаемостью ~900000-950000, причем боковые стенки сопел являются токосъемными шинами, выполненными в виде гребенки для увеличения контактной поверхности и снижения сопротивления между потоком в сопле и токосъемниками;
- параллельно МГДГ установлен кран сферический запорно-регулирующий на 0,5-0,8 проходного сечения труб контура, на одной из которых он установлен, за этим оборудованием установлены доохладители газопаровой смеси - парогенератор насыщенного пара, имеющий экономайзерно-испарительный участки, выполненные из пучков оребренных труб, объединенных коллекторами - входным распределяющим и выходным собирающим, коллектор экономайзерно-испарительного участков соединен с системой многократно-принудительной циркуляции (МПЦ) и конденсатно-питательной системой через сепаратор пара и насос МПЦ, а выходной коллектор посредством паропровода с сепаратором, пар из которого поступает во входной коллектор пароперегревателя, паропровод имеет дополнительный штуцер с задвижкой, который позволяет подавать насыщенный пар от постороннего источника на сепаратор и пароперегреватель с повышенным расходом и пониженной температурой перегрева пара, при различных параметрах насыщенного пара установки и постороннего источника необходимо использовать струйный (эжектор) аппарат для выравнивания параметров и общие параметры использовать для подачи в пароперегреватель.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она пожаро- и взрывобезопасна и может работать стационарно, в транспортабельных системах и в транспортных установках автономно или в комбинации с другими энергетическими установками, не требуя постоянной подпитки углекислым газом и водяным паром, только периодическая подпитка при снижении давления в контуре, после анализа газопаровой смеси; поэтому не сбрасывает в окружающую среду продуктов горения и не требует для поддержания процесса энерговыделения кислорода из окружающего воздуха, причем, за исключением валоповоротного устройства, мотор-генератора и турбокомпрессора, все остальное оборудование статическое с большим сроком службы.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в районе оборудования генератора СВЧ и МГДГ будет наблюдаться радиоактивное излучение малых энергий и интенсивности, обусловленное физическими процессами, протекающими в указанном оборудовании.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ядерным реакторам, которые могут быть применены для получения электроэнергии в малодоступных районах Крайнего Севера и Дальнего Востока в качестве мини-электростанций.

Изобретение относится к ядерным реакторам, которые могут быть применены для получения электроэнергии в качестве миниэлектростанций. .

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом (450°С).

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для повышения эффективности работы турбин атомных станций. .

Изобретение относится к области теплотехники. .

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для использования на паротурбинных установках атомных электрических станций (АЭС) при температуре рабочего тела ниже температуры самовоспламенения водорода в смеси с кислородом

Изобретение относится к атомной энергетике. Гибридная атомная станция включает ядерный реактор на тепловых нейтронах, реакторный парогенератор и паротурбинную установку, работающую на генератор. Включен дополнительный ядерный реактор в качестве источника пароперегрева, подключенного к пароперегревателю по его греющей стороне. Вход пароперегревателя по нагреваемой стороне подключен к выходу парогенератора, а выход подключен к входу паротурбинной установки. В качестве дополнительного ядерного реактора предпочтителен реактор на быстрых нейтронах или реактор на тепловых нейтронах, но с неводным замедлителем, например, графитом, а в качестве основного ядерного реактора - водо-водяной. Как вариант, для еще большего повышения КПД за счет увеличения давления острого пара, можно ввести дополнительный (промежуточный) контур, состоящий из последовательно соединенных парогенератора, пароперегревателя промежуточного контура по нагреваемой стороне, по греющей стороне - конденсатора-парогенератора и насоса. Технический результат - повышение эффективной мощности АЭС. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх