2
АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ МГД-МЕТОДАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ РАБОЧЕГО ГАЗА ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОДОРОДА (H)
2
AERODYNAMIC BENCH FOR PERFORMANCE OF FUNDAMENTAL RESEARCH OF POWER GENERATION BY MHD METHODS USING HIGH-TEMPERATURE HYDROGEN (H) AS WORKING GAS

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.
3
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 ~4·10 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
2
2
3
2
2Аl+3НО⇆АlО+3Н
2
3
Однако образовавшийся в результате реакции в виде мелкодисперсного аэрозоля АlO опять-таки приводит к снижению КПД.
2
2
3
2
Так как предполагается разработка на принципе использования высокотемпературного Н 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 АlO), для создания высокой электропроводности среды разработать способы смешения присадки с легкими атомами и молекулами H, 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.
3
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 ~4·10 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.
3
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 (4·10 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;
2
2
15 - рампа для хранения баллонов Н и N;
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);
2
9 - баллоны Н;
10 - вентили и редукторы;
11 - предохранительный клапан;
12 - трасса к вакуумной камере;
2
14 - баллоны N;
15 - соединительные шланги (дюрит);
16 - обратный клапан.
0
5
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 Р≈2·10 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.
3
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 ~4·10 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.