Аэродинамический стенд для проведения фундаментальных исследований по генерации электроэнергии мгд-методами с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода (h2)



Аэродинамический стенд для проведения фундаментальных исследований по генерации электроэнергии мгд-методами с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода (h2)
Аэродинамический стенд для проведения фундаментальных исследований по генерации электроэнергии мгд-методами с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода (h2)
Аэродинамический стенд для проведения фундаментальных исследований по генерации электроэнергии мгд-методами с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода (h2)

 


Владельцы патента RU 2482592:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") (RU)

Изобретение относится к области энергетики, преимущественно к созданию аварийных энергетических установок большой мощности, работающих на принципе магнитогазодинамического преобразования энергии.

Заявленное устройство включает источник высокотемпературного газа, устройство подачи присадки, МГД-канал, магнит, системы управления и измерения. Для проведения исследований по генерации электроэнергии с рабочим газом водородом в качестве источника высокотемпературного газа использован электродуговой подогреватель, стенд дополнительно оснащен рампой для хранения водорода и нейтрального газа с системами подачи этих газов в рабочий тракт, регулирования и измерения их параметров, а также системами измерения генерируемой электроэнергии и системой сигнализации при пожароопасности. Аэродинамический стенд позволяет отработать технологию использования высокотемпературного водорода в магнитогазодинамических устройствах без влияния факторов, снижающих эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, и дать рекомендации по созданию МГД-генераторов нового типа. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области энергетики, преимущественно к созданию аварийных энергетических установок большой мощности, работающих на принципе магнитогазодинамического преобразования энергии при взаимодействии движущегося потока газа и электромагнитного поля.

Преимуществом МГД-генераторов в сравнении, например, с турбогенераторами является то, что преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется без применения движущихся деталей, что дает возможность существенно поднять температуру газа (в турбогенераторах T≈1200 K, в МГД - генераторах Т≈3500 К), а значит, увеличить коэффициент полезного действия (КПД).

Известны магнитогазодинамические (МГД) генераторы для получения электроэнергии, работающие на принципе взаимодействия электромагнитного поля с потоком электропроводящего газа, например [Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: «Наука», 1992 г. - с.521]. В устройстве электропроводный поток воздуха движется между полюсами постоянного магнита. При этом в потоке индуцируется электрическое поле, пропорциональное скорости потока и магнитной индукции.

Недостатком генераторов такого типа является использование для нагрева рабочего газа реакции горения углеводородных и ракетных топлив, у продуктов сгорания которых высокое значение молекулярного веса, что не позволяет получить достаточно высокие физические скорости потока и не дает возможности повысить коэффициент полезного действия преобразования энергий в МГД-генераторах по сравнению с турбогенераторами.

В качестве прототипа взят магнитогазодинамический генератор из работы [Основы технической магнитной газодинамики. М.: «Мир», 1968 г., с.463]. Генератор содержит следующие устройства:

- камеру сгорания для сжигания углеводородного топлива в атмосфере нагретого воздуха, которая является источником высокотемпературного газа;

- устройство для ввода присадки в продукт горения для повышения его электропроводности;

- сопло для разгона потока газа;

- постоянный магнит, между полюсами которого движется поток;

- МГД-канал, представляющий собой отсек, в котором на двух противоположных стенках установлены изолированные друг от друга электроды, а две другие стенки выполнены из электроизоляционного материала.

При прохождении электропроводного потока в магнитном поле между электродами МГД-канала генерируется напряжение.

Однако в прототипе, как и в других МГД-генераторах описанного типа, достичь существенного повышения КПД в сравнении с турбогенераторами не удалось. Опять-таки потому, что в качестве рабочего газа использовались продукты сгорания углеводородных или ракетных топлив, имеющие высокие значения молекулярного веса. Как сказано выше, это не позволяет получить достаточно высокие физические скорости потока газа (~4 км/с) и повысить КПД преобразования энергии.

Из изложенного ясно, что улучшению технологии и эффекта МГД-преобразования энергии может способствовать использование в качестве рабочего газа водорода, у которого молекулярный вес в ~20 раз меньше, чем у продуктов сгорания углеводородных или ракетных топлив. Это дает возможность достичь скорости потока ~4·103 м/с, увеличить напряжение на электродах МГД-канала, увеличить КПД.

Получение высокотемпературного водорода возможно в результате химических реакций. Одной из которых, например, является реакция взаимодействия мелкодисперсного алюминия с парами воды

2Аl+3Н2О⇆Аl2О3+3Н2

Однако образовавшийся в результате реакции в виде мелкодисперсного аэрозоля Аl2O3 опять-таки приводит к снижению КПД.

Так как предполагается разработка на принципе использования высокотемпературного Н2 крупных промышленных МГД генераторов для аварийного энергоснабжения городов и населенных пунктов, необходимо решить комплекс проблем. Определить технические решения по очистке водорода от других продуктов реакции (например, от частиц Аl2O3), для создания высокой электропроводности среды разработать способы смешения присадки с легкими атомами и молекулами H2, выявить особенности генерации электроэнергии в МГД-каналах при использовании в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода.

Задачей и техническим результатом изобретения является создание аэродинамического стенда (АДС), который будет использован для решения указанных проблем.

Решение задачи и технический результат достигаются тем, что аэродинамический стенд, являющийся прообразом МГД-генератора с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода, включающий источник высокотемпературного газа, устройства для создания потока газа, устройство подачи присадки в поток газа для увеличения его электропроводности, МГД-канал, магнит, системы управления потоком и измерения технологических параметров, оснащен в качестве источника высокотемпературного газа электродуговым подогревателем для нагрева водорода до температуры ≈3500 К и получения скорости потока ~4·103 м/с, также оснащен рампой для хранения водорода и нейтрального газа с системой подачи газов в рабочий тракт, устройствами для регулирования и измерения параметров этих газов, системой измерения генерируемой электроэнергии, системой сигнализации при пожароопасности.

Схемы, поясняющие изобретение, приведены на фигурах 1, 2, 3.

На фигуре 1 приведена схема АДС.

На фигуре 2 представлен план размещения стенда в помещении.

На фигуре 3 представлена подробная схема соединения баллонов водорода и азота, размещенных на рампе с регулирующей и измерительной аппаратурой.

В газ, нагретый в электродуговом подогревателе 2 (фиг.1), подается присадка легкоионизируемых элементов (Na, K) из устройства подачи присадки 1. После смешения присадки с газом их смесь поступает в сопло 3, где ускоряется до заданной скорости (4·103 м/с). Поток с указанной скоростью поступает в МГД канал 4, на стенках которого установлены электроды (64 пары, изолированные друг от друга), магнитное поле в канале создается с помощью магнитов 6. На выходе из МГД канала 4 установлено вторичное сопло 8 с измерителем давления 9. Выход из вторичного сопла расположен в рабочей камере 10. Из рабочей камеры газ поступает в выхлопной тракт 11, который заканчивается вакуумной емкостью. Напряжение на электродах фиксируется устройством 12. Трассы подачи на стенд водорода и нейтрального газа азота показаны на позиции 5.

На фигуре 2 (сквозная нумерация с фигурой 1):

13 - стенд;

14 - трассы подачи к стенду водорода и азота, проходящие по наружным стенам промышленной аэродинамической трубы и пристройки, в которой размещен стенд;

15 - рампа для хранения баллонов Н2 и N2;

16 - помещение промышленной трубы рядом со стендом;

17 - система сигнализации при пожароопасности;

18 - система клапанов;

19 - вакуумная камера;

20 - клапаны и вентили для управления водородом и азотом.

На фигуре 3 (отдельная нумерация):

1 - узел мерного сопла;

2 - трасса подачи газов к ЭДП;

3 - манометр;

4 - отсечные клапаны;

5 - манометр (водород);

6 - вентиль (водород);

7 - вентиль (азот);

8, 13 - коллекторы (водород, азот);

9 - баллоны Н2;

10 - вентили и редукторы;

11 - предохранительный клапан;

12 - трасса к вакуумной камере;

14 - баллоны N2;

15 - соединительные шланги (дюрит);

16 - обратный клапан.

Работа стенда осуществляется следующим образом. Включают устройства для создания потока газа. Для этого выхлопной тракт 11 (фиг.1) соединяют с вакуумной камерой 19 (фиг.2), в которой создают давление ~10 Па, открывают клапан №1 (4 на фиг.3), по трассе 5 (фиг.1) заполняют камеру источника высокотемпературного газа (ЭДП) азотом от рампы 15 (фиг.2) до давления Р0≈2·105 Па, включают напряжение на ЭДП и реализуют пуск с азотом. Не отключая азот, открывают редукторы водородных баллонов на рампе и через клапан №2 (4 на фиг.3) подают водород в камеру ЭДП. При этом клапан №1 (4 на фиг.3) закрывают, подачу азота прекращают, пуск реализуют на водороде. Вводят присадку 1 (фиг.1), включают электромагнит 6 (фиг.1), регистрируют напряжение на электродах МГД-канала 7 (фиг.1) с помощью системы измерения генерируемой энергии 12 (фиг.1). Система сигнализации пожароопасности 17 (фиг.2) срабатывает автоматически при аварийных ситуациях. Завершается пуск отключением подачи водорода и продувкой трассы азотом.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет провести фундаментальные исследования по генерации электроэнергии МГД-методами с использованием в качестве рабочего газа водорода, нагреваемого в электродуговом подогревателе (ЭДП) до температур 3500 К при скорости потока водорода ~4·103 м/с, отработать технологию использования высокотемпературного водорода в магнитогазодинамических устройствах без влияния факторов, снижающих эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую, дать рекомендации по созданию МГД-генераторов нового типа.

Аэродинамический стенд для проведения фундаментальных исследований по генерации электроэнергии МГД-методами с использованием в качестве рабочего газа высокотемпературного водорода Н2, включающий источник высокотемпературного газа, устройства для создания потока газа, устройство подачи присадки в поток газа для увеличения его электропроводности, МГД-канал, магнит, системы управления потоком и измерения технологических параметров, отличающийся тем, что в качестве источника высокотемпературного газа использован электродуговой подогреватель для нагрева водорода до необходимой температуры и получения потока с необходимой скоростью, стенд дополнительно оснащен рампой для хранения водорода и нейтрального газа с системой подачи газов в рабочий тракт, регулирования и измерения параметров этих газов, стенд оснащен системой измерения генерируемой электроэнергии и системой сигнализации при пожароопасности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электротехнике, к магнитогидродинамическим (МГД) генераторам. .

Изобретение относится к магнитогидродинамическому преобразованию тепловой энергии в электрическую энергию. .

Изобретение относится к электротехнике, к магнитогидродинамическому преобразованию энергии, в частности концентрированного солнечного излучения высокой плотности в электрическую энергию.

Изобретение относится к источникам тепла, а именно к источникам тепла, обеспечивающим нагрев газа для использования его в магнитогидродинамическом генераторе (МГД-генераторе).

Изобретение относится к области электротехники и направлено на усовершенствование электрических машин, используемых в силовой электроэнергетике. .

Изобретение относится к области электротехники, может быть использовано в автономных источниках, работающих в условиях постоянного воздействия силы тяжести, и с успехом применено в промышленности для производства электроэнергии.

Изобретение относится к технической физике, к технологии эксплуатации магнитогазодинамических каналов, как МГД-генераторов, так и МГД-ускорителей, и может быть использовано в электротехнической и авиационно-космической промышленности, а также и в других областях техники.

Изобретение относится к области электротехники и МГД техники и может быть использовано в индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, в химической и металлургической промышленности, а также в магнитогидродинамических машинах и линейных индукционных двигателях.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в области атомной энергетики, металлургии и других областях техники. .

Изобретение относится к плазменной энергетике, конкретно к гибридным источникам энергии для получения электричества, горячего воздуха, горячей воды и горячего водяного пара в интересах коммунального хозяйства, товариществ собственников жилья (ТСЖ), садовых кооперативов, отдельных коттеджей и/или промышленных производств

Изобретение относится к области исследования плазмы. Магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя плазменный контейнер, в который помещен первый ионизируемый газ, первый электрический контур, расположенный рядом с плазменным контейнером, содержащий промежуток, электрические контакты на первой и второй сторонах промежутка, и первое вещество, имеющее, по меньшей мере, низкую магнитную восприимчивость и высокую проводимость. Первый электрический контур может быть составлен из совокупности одного или избыточного количества проводных контурных катушек. В таких случаях электрический контакт установлен через концы проводов катушки. Кроме того, магнитогидродинамическое моделирующее устройство включает в себя электропроводную первую катушку, намотанную вокруг плазменного контейнера и через первый электрический контур. Технический результат - обеспечение возможности моделирования магнитогидродинамики плазмы в нежидкостной среде. 19 з.п. ф-лы, 4 ил.

Относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт. Технический результат заключается в использовании водяного топлива путем диссоциации воды на водород и кислород и сжигания этого водорода, а также в том, что корпус одновременно выполняет функцию камеры сгорания благодаря выполнению корпуса в виде сопла Лаваля. Это дает возможность соединять несколько МГД-генераторов в последовательную или последовательно-параллельную цепь с образованием батареи МГД-генераторов с целью увеличения мощности генерируемой электроэнергии. МГД-генератор содержит корпус 1, выполненный в виде сопла Лаваля, форсунку 2 для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды 3 для создания высоковольтной дуги, магнитную систему 4, расположенную в области расширяющейся части (диффузора) сопла, и средство 5 съема электрического тока (электроды). Средство 5 может быть выполнено индукционным (т.е. безэлектродным). МГД-генератор также содержит дополнительную форсунку 6 для подачи воды или водяного пара в сопло 1 в области его сужающейся части. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания систем магнитогидродинамического (МГД) генерирования электроэнергии на основе МГД-генераторов, вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт. Технический результат состоит в упрощении конструкции, повышении мощности и снижении себестоимости генерируемой электроэнергии. Система МГД генерирования электроэнергии содержит как минимум два МГД-генератора, каждый из которых содержит корпус 1 (7) в виде сопла Лаваля, как минимум одну форсунку 2 (8) для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, пьезоэлемент для образования водяного пара. Электроды 3 (9) для создания высоковольтной дуги установлены во входной части сопла Лаваля. Магнитная система 4 (10), средство 5 (11) съема электрического тока расположены в области расширяющейся части сопла Лаваля. МГД-генераторы установлены последовательно так, что в процессе работы системы рабочее тело, выходящее из расширяющейся части сопла Лаваля 1 предшествующего МГД-генератора, поступает на вход сопла Лаваля 7 последующего МГД-генератора. Средство 5 съема электрического тока предшествующего МГД-генератора электрически связано с электродами 9 для создания высоковольтной дуги последующего МГД-генератора и электромагнитом магнитной системы 10 последующего МГД-генератора. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к магнитной гидродинамике, к электромагнитным насосам и может быть использовано в металлургии, в ядерной и нетрадиционной энергетике, машиностроении, химической промышленности, а также в космической технике. Технический результат состоит в введении возможности пропускания через рабочий канал как жидкой (электролиты, расплавы металлов), так газообразной (ионизированный газ) проводящих сред. Магнитогидродинамическое (МГД) устройство включает канал, входные и выходные патрубки, магнитную систему. Магнитная система выполнена в виде сплошного цилиндра из проводящего материала, торцы которого соединены электрическими проводами с рабочими электродами, подключенными к источнику питания. В патрубки вмонтированы рабочие электроды. В первом варианте МГД устройства внутренняя стенка канала является цилиндрической, а внешняя - конической с углом наклона α в диапазоне от 0° до 90°. В патрубки вмонтированы рабочие электроды. Во втором варианте МГД устройства внешняя и внутренняя стенки канала являются цилиндрическими, причем функцию одной пары электродов выполняют стенки канала. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к производству электрической энергии на основе магнитогидродинамического эффекта и может быть использовано в устройствах обработки информации или приемо-передающих устройствах, размещаемых на объектах, движущихся с ускорением. Технический результат состоит в обеспечении электрической энергией маломощных устройств, установленных на движущихся объектах путем преобразования кинетической энергии рабочего тела в электрическую энергию. Магнитогидродинамический генератор содержит магнит, расположенный таким образом, что магнитное поле пересекает канал для перемещения рабочего тела. Два электрода расположены вдоль канала. Два вертикальных резервуара подключены с двух разных сторон к каналу. Устройство располагается на объектах, движущихся с ускорением. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к возобновляемым источникам электрической энергии. Технический результат состоит в упрощении конструкции и повышении надежности. Устройство содержит эластичный передаточный элемент (1), связанный с преобразователем энергии, подключенным к электрической нагрузке и выполненным в виде МГД генератора (2), состоящего из цилиндра (4) из непроводящего материала с двумя поршнями (5) и (6), один из которых (6), подпружинен пружиной (7). Внутренний объем цилиндра (4) между поршнями (5) и (6) заполнен электропроводной жидкостью, а с торцов (9) и (10) - воздухом. По внутренней поверхности цилиндра (4) размещены противоположно расположенные электроды (11) и (12), связанные с накопителем (14) и далее - с электрической нагрузкой, а на его внешней поверхности установлен магнит (15). Эластичная емкость (1) сообщена каналом (16) с цилиндром (4) со стороны поршня (5). При воздействии внешней силы Q при посредстве заполненной воздухом эластичной емкости (1) усилие передается на поршень (5), который, перемещаясь, оказывает давление на электропроводную жидкость (8), частицы которой начинают двигаться, пересекая силовые линии магнита (15), одновременно оказывая воздействие на подпружиненный поршень (6). В процессе движения жидкости (8) через магнитное поле по ней протекает электрический ток, который, замыкаясь через электроды (11) и (12), поступает в накопитель (14), а от него - к электрической нагрузке. Движение жидкости (8) носит колебательный характер, что позволяет достигать резонансных характеристик системы. 1 ил.

Изобретение относится к области гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА). Способ управления аэродинамическими характеристиками гиперзвукового летательного аппарата включает установку плоских МГД-генераторов попарно симметрично относительно плоскости симметрии элементов оперения ГЛА, а между ними располагают магнитоэкранирующие пластины, выполненные из ферромагнитного материала с точкой Кюри, превышающей рабочую температуру элементов ГЛА, обеспечивающих устойчивость, управляемость и балансировку. Управляющие команды от бортовой системы управления подают на соленоиды плоских МГД-генераторов, расположенных под той обтекаемой поверхностью элементов оперения ГЛА, на которую производят управляющее усилие. Магнитоэкранирующую пластину изготавливают из кобальта. Изобретение направлено на расширение функциональных возможностей управления ГЛА по каналам тангажа, рыскания и крена. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к средствам питания скважинной аппаратуры. Техническим результатом является повышение надежности и ресурса работы устройства, а также упрощение конструкции и его эксплуатации. Предложен турбогенератор, содержащий внутренний статор с обмоткой и внешний ротор с корпусом и рабочими лопатками турбины, установленный на подшипниках скольжения. При этом внутренние и внешние рабочие поверхности подшипников скольжения выполнены из твердого износостойкого материала с высокой теплопроводностью. Кроме того, турбогенератор содержит герметизирующий элемент, предотвращающий сквозной проток промывочной жидкости через зазор между статором и ротором. При этом герметизирующий элемент может быть выполнен в виде контактного уплотнения, установленного ниже верхнего подшипника. При этом на корпусе ротора выполнен один ряд окон, вход в которые расположен между верхним подшипником и контактным уплотнением на внутренней стороне корпуса ротора, а выход из которых расположен ниже рабочего колеса на внешней стороне ротора. Герметизирующий элемент может быть также выполнен в виде установленной на верхнем торце ротора крышки. 2 ил.
Наверх