Генератор прямого преобразования тепловой энергии в электрическую

Генератор прямого преобразования тепловой энергин в электрическую
Полезная модель относится к области электроэнергетики, более конкретно, к генераторам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, использующих эффект потери магнитных свойств ферромагнетиков в точке Кюри в термомагнитных преобразователях, и может найти применение в мобильных и стационарных энергоустановках различной мощности и назначения.
Известен генератор прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащий простую замкнутую магнитную цепь, включающую намагничивающий участок, охваченный выходной обмоткой и активный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, так назьтаемый магнитный шунт из гадолиния, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла и последующего охлаждения (см. Прямое преобразование энергии. Пер. с англ, под редакцией Тимашева С.В и Литовского Е.И., изд. Мир, Москва, 1969 г., с.384).
Недостатком известного генератора является то, что индукция в постоянном магните в магнитной цепи в области выходной обмотки значительно меняется только при большой длине парамагнитного промежутка между полюсами магнита. Это приводит к использованию массивных магнитных шунтов, значительной тепловой инерции процесса и низкой эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Для гадолиния с температурой Кюри 16 С и массой шунта 50 - 100 г длительность процесса термического размагничивания магнитного шунта и последующего восстановления его магнитных свойств при теплоперепадах 6 - 100 С составляет десятки секзнд, а к.п.д. - доли процента.
Наиболее б;шзким техническим решением является генератор прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащий источник тепловой энергии, холодильник и термомагнитный преобразователь, включающий неподвижную магнитную цепь, одна из ветвей которой имеет намагничивающий участок и, по крайней мере, одна другая охвачена выходной обмоткой и имеет активный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла от источника тепловой энергии и отвода его в холодильник (см. авт. св. СССР № 48752, МКИ GO IN  прототип).
МКИ 7 H02N  G21D
Известное устройство имеет неподвижный замкнутый Ш-образный магнитопровод, k средняя ветвь которого охвачена обмоткой намагничивания, соединенной с источником i питания постоянного тока, две боковые ветви магнитопровода имеют независимые и I соединенные электрически выходные обмотки, а активные участки магнитной цепи j. пронизаны продольными каналами для циклической подачи в них горячих и холодных газов от нагревателя и холодильника посредством насосов, системы клапанов и вспомогательных трубопроводов.
Магнитопровод известного генератора и его активные участки выполнены за одно целое из электротехнической стали, имеющей температуру Кюри около 780 С, при этом длина и масса активных участков сравнимы с длиной и массой намагничивающего участка магнитной цепи. По этой причине нагрев активных участков магнитной цепи быстро приводит к нагреву остальных частей магнитопровода. Для уменьшения времени цикла нагрева активных участков магнитной цепи температура греющих газов должна превышать температуру Кюри на сотни градусов, а температура охлаждающих газов должна быть ниже ее также на сотни градусов.
При таких условиях и для описанной в прототипе конструкции устройства средняя температура всего магнитопровода, его обмоток и других систем генератора за небольшой промежуток времени установится на уровне около 800 С, что неприемлимо по соображениям надежности. В то же время значительная масса и теплоемкость магнитных щунтов не позволят снизить время цикла их перемагничивания до значений в доли секунды, делая проблематичным создание генератора, обладающего достаточно высокой эффективностью.
Решаемой задачей является повышение надежности и эффективности генератора прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, использующего эффект термомагнитного преобразования энергии при изменении магнитных свойств ферромагнитных щунтов в магнитной цепи при их нагреве и охлаждении около точки 1Сюри.
Указанная задача решается тем, что в генераторе прямого преобразования тепловой и  энергии в электрическую, содержащем источник тепловой энергии, холодильник и - термомагнитный преобразователь, включающий неподвижную магнитную цепь, одна из ветвей которой имеет иамагничивающий участок и, по крайней мере, одна другая охвачена выходной обмоткой и имеет аюгавный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла от источника тепловой энергин и отвода его в холодильник, согласно полезной модели, магнитная цепь
X
термомагнитного преобразователя выполнена разветвленной в плоскости или пространстве, содержит преимущественно две, три или четыре ветви с активными участками и общий намагничивающий з асток, причем части магнитной цепи с обеих сторон активных участков имеют увеличенное поперечное сечение и снабжены теплоизолирующими элементами, а сами активные участки термомагнитного преобразователя выполнены в виде набора пластин с изменяемой магнитной проницаемостью, установленных между частями магнитной цепи с увеличенным поперечным сечением в направлении магнитных потоков.
Кроме того, генератор может быть выполнен по схеме с постоянной полярностью магнитного потока, при этом его магнитная цепь может содержать одну ветвь с общим намагничивающим участком и преимущественно две или три ветви, снабженные выходными обмотками и активными участками с изменяемой магнитной проницаемостью.
Кроме того, генератор может быть вьшолнен по схеме с переменной полярностью магнитного потока, при этом его магнитная цепь может содержать одну ветвь с общим намагничивающим участком, одну ветвь с общей выходной обмоткой и, по крайней мере, четыре ветви с активными участками с изменяемой магнитной проницаемостью.
Кроме того, активные участки магнитной цепи генератора могут быть выполнены из магнитных сплавов с температурой Кюри в диапазоне 15-800С в виде набора пластин толщиной 0,01 - 1 мм при отнощении высоты пластин к общей длине ветвей магнитной цепи в диапазоне 0,1-0,01, причем пластины могут быть установлены с зазором 1 - 10 мм для прохождения продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения.
Кроме того, средство для циклического подвода тепла к активным участкам магнитной цепи термомагнитного преобразовате.)1Я может быть вьшолнено в виде импульсного ядерного реактора, содержащего неподвижные и подвижные докритические сборки, причем активные участки магнитной цепи термомагиитного преобразователя могут быть вьшолнены в виде наборов пластинчатых тепловыделяющих элементов из де.11ящегося материала, облицованных пластинами из магнитных сплавов с изменяемой магнитной проницаемостью, образующих неподвижные докритические сборки, установленные по окружности в ветвях магнитной цепи с зазорами для прохождения охлаждающей среды, а подвижные докритические сборки импульсного ядерного реактора при этом могут быть вьшолнены из делящегося материала с возможностью вращения и поочередного сближения с неподвижными докритическими сборками в магнитной цепи для их циклического нагрева и последующего охлаждения непрерывно прокачиваемым теплоносителем в период прекращения импульсной ядерной реакции.
Кроме того, намагничивающие участки магнитной цепи генератора могут содержать постоянные магниты, обмотку возбуждения, соединенную с источником питания, или сверхпроводящую обмотку возбуждения.
Такое выполнение генератора позволяет в значительной степени повысить его надежность и эффективность термомагнитного преобразования тепловой энергии в электрическую при циклическом изменении магнитного сопротивления ферромагнитных шунтов в магнитной цепи путем их нагрева и охлаждения около точки Кюри.
Надежность генератора возрастает за счет эффективной тепловой защиты теплоизолирующими элементами магнитной системы, выходных обмоток, обмотки намагничивания и других систем генератора от циклически нагреваемых элементов магнитных шунтов. Кроме того, масса и теплоемкость активных участков магнитной цепи в предложенном устройстве имеют предельно низкие значения (менее 1% от массы магнитной системы), что позволяет сравнительно близко подойти к созданию генератора с рабочими частотами в несколько десятков герц. При этом повышается скорость коммутации или скорость изменения величины магнитного потока в магнитной цепи устройства и, следовательно, эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую и к.п.д. генератора.
Использование перспективных схем коммутации магнитного потока в предложенном генераторе, современных систем переключения потоков теплоносителей и новых источников тепловой энергии на основе импульсных ядерных реакторов для циклического перевода материала магнитных шунтов в парамагнитное состояние, в свою очередь, способствуют рещению задачи создания мобильных или стационарных генераторюв прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, обладающих сравнительно высокими эффективностью и ресурсом.
Отношение высоты пластин активных участков магнитной цепи к общей длине ветвей магнитной цепи не должно превьщгать 0,1 из-за увеличения потоков рассеяния, увеличения массы и теплоемкости магнитных шунтов. Данное отношение также нецелесообразно снижать меньше 0,01 по причине неполной коммутации магнитных потоков.
Температура Кюри элементов активных участков магнитной цепи может находится в диапазоне 15 - 800 С для широко известных ферромагнитных металлов (гадолиний, никель, железо и их сплавы), причем превьшюние верхнего значения температур в значительной степени усложняет тепловую защиту магнитопровода и систем генератора, а нижняя граница температуры Кюри задана гадолинием.
Активные участки магнитной цепи могут быть выполнены в виде набора пластин высотой 5 - 100 мм и толщиной 0,01-1 мм, установленных преимущественно параллельно друг другу с зазором между ними 1-10 мм.
Уменьшение высоты пластин магнитного шунта ниже 5 мм нецелесообразно как для генераторов малой, так и для генераторов большой мощности, а превышение их высоты более 100 мм приводит для большинства случаев реализации устройства к значительному рассеянию магнитных потоков.
Толщину пластин, по соображениям технологичности, не следует снижать ниже 0,01 мм, а увеличивать более 1 мм нецелесообразно из-за ухудшения условий теплообмена с газовыми потоками.
Величина зазоров между пластинами магнитных шунтов выбрана оптимальной по соображениям снижения гидравлических потерь и сохранения условий теплообмена при прохождении в зазорах продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения.
Средства для циклического подвода к активным участкам магнитной цепи тепла от источника тепловой энергии и последующего охлаждения должны быть выполнены с возможностью их нагрева и охлаждения с фазовым смешением с частотами не менее 1-10 Гц, применяемых для специальных видов потребителей, и не более 40 - 60 Гц - по причине ограничений в осуществлении процессов высокоскоростного циклического теплообмена в магнитных шунтах и сложности системы переключения потоков теплоносителя.
На чертежах представлены: фиг.1 - схематический вид генератора с переменной полярностьюмагнитного потока; фиг.2 - сечение магнитного шунта; фиг.З схематический вид генератора с постоянной полярностью магнитного потока; фиг. 4 поперечное сечение генератора с нагревом активных участков магнитной цепи от импульсного ядерного реактора.
Генератор с переменной полярностью магнитного потока (фиг.1) содержит неподвижный разветвленный в плоскости шихтованный магнитопровод 1 из электротехнической стали. Магниггопровод 1 имеет ветвь намагничивания 2, охваченную обмоткой намагничивания 3 и выходную ветвь 4, охваченную выходной обмоткой 5. Между ветвями 2 и 4 размещены четыре ветви 6 с размещенными в них активными участками 7, являюпщхся магнитными шунтами. Для охлаждения и нагрева активиых участков 7 установлены четыре входных 8 и четыре выходных 9 теплоизолированных патрубка, соединенных с холодильником и нагревателем (не показаны).
Части ветвей 6 магнитопровода 1, примыкающие к активным участкам 7, имеют увеличенное поперечное сечение в виде выступов 10. Позицией 11 обозначены смещенные во времени магнитные потоки в магнитопроводе 1, а позицией 12 обозначены потоки горячего и холодного теплоносителей, поступающих в патрубки 8.
Каждый из четырех активных участков 7, сечение которого показано на фиг.2, содержит набор пластин 13, например, из никеля, установленных между частями 10 магнитной цепи с увеличенным поперечным сечением в направлении магнитных потоков 11. Тонкие пластины 13 установлены преимущественно параллельно друг другу, разделены зазорами 14 и снабжены керамическими пластинами 15 для тепловой изоляции основного магнитопровода 1 от воздействия потоков 12 теплоносителя. Магнитопровод 1 вблизи активных участков 7 имеет отверстия 16 для его охлаждения.
Пластины 13 могут быть вьпюлнены из магнитных сплавов с температурой Кюри в диапазоне 15-800С, в данном случае они изготовлены из никеля с температурой Кюри 376 С. Толщина пластин для никеля выбрапа 0,4 мм при отнощении высоты пластин к общей длине ветвей магнитной цепи около 0,02. Зазор между пластинами 13 для прохождения продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения выбран около 1,5 мм.
Для генератора мощностью около 1 кВт при рабочей частоте 50 Гц магнитопровод 1 из электротехнической стали имеет квадратное сечение со стороной около 6 см и длину каждой из ветвей около 20 см. Расстояние между частями магнитопровода 1 для размещения шунтов 7 составляет около 1,5 см (вместе с тепловой изоляцией). При указанных толщине пластин, зазоре между ними и количестве пластин около 150 шт размеры активного участка составят 15x200x60 мм.
Генератор с постоянной полярностью магнитного потока, схематически показанный на фиг.З, имеет общую ветвь участка намагничивания 2 и общую обмотку намагничивания 3. Магнитоповод 1 генератора при этом содержит три ветви 4 с активными участками 7 и три выходные обмотки 5, соединенные с трехфазным потребителем выходной мощности (не показан). Соответственно каждый из активных участков 7 имеют по три входных 8 и по три выходных 9 патрубка для прокачки теплоносителей. Активные участки в таком генераторе вьшолнены в целом аналогично фиг.2.
Генератор с нагревом активных участков магнитной цепи от импульсного ядерного реактора (фиг.4) представляет собой поперечное сечение генератора по фиг.З в области его акгавных участков.
В данном случае средство для циютического подвода тепла к активным участкам 7 магнитной цепи 1 термомагнитного пр еобразователя вьшолнено в виде импульсного ядерного реактора, содержащего неподвижные и подвижные докритические сборки. При этом активные участки 7 вьшолнены в виде наборов пластин 13 тепловыделяющих элементов из делящегося материала (обогащенный уран 235) облицованных пластинами из никеля или другого магнитного сплава, образующих в совокупности неподвижные докритические сборки, установленные по окружности в ветвях магнитопровода 1 с зазорами 14 между пластинами 13 для прохождения охлаждающей среды.
Подвижные докритические сборки 17 импульсного ядерного реактора при этом выполнены из того же делящегося материала с возможностью вращения и поочередного сближения с наборами пластин 13 неподвижных докритических сборок в магнитной цепи 1 для их циклического нагрева и последующего охлаждения непрерывно прокачиваемым через патрубки 8, 9 теплоносителем в период прекращения импульсной ядерной реакции. Для привода подвижных частей импульсного ядерного реактора используются высокооборотный двигатель 18, система электронной и биологической защиты, система охлаждения сборки 15 и пр. (не показаны).
Генератор, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.
Из источника горячего газа, например, газовой камеры сгорания (не показана), продукты сгорания с температурой около 1000 С поступают под избьггочным давлением через клапанные устройства (не показаны) одновременно в первый левый нижний и во второй правый верхний входные патрубки 8 (см. фиг.1) и, соответственно, в активные участки 7. При скорости газового потока 50 - 100  никелевые пластины 13 нагреваются за доли секунды от окружающей температуры до температуры около 397 С, что примерно на 20 градусов вьппе температуры Кюри никеля (377 С). Ферромагнитное состояние никелевых пластин магнитных шунтов при этом изменяется на парамагнитное.
Затем высокотемпературный газовый поток переключается системой клапанов на другую пару активных участков 7, а холодный теплоноситель, например, окружающий воздух с температурой 25 С через систему клапанов также под избыточным давлением поступает в патрубки 8 и нагретую пару активных участков 7 для их охлаждения до температуры около 357 С, при которой никель переходит обратно в ферромагнитное состояние. Указанный диапазон температур 40 С перехода никеля нз одного состояния в другое по известным источникам может быть уменьшен до 20 С.
Последующие циклические переключения горячего и холодного газовых потоков через упомянутые активные участки 7 позволяют циклически с временным сдвигом 180 градусов переводить материал пластин 13 из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно. Такое изменение состояния магнитных шунтов 7 приводит к поочередной двухфазной коммутации магнитного потока от намагничивающего участка 2 в двух парах ветвей 4 и наведению в общей обмотке 5 электродвижущей силы, которая соединена с потребителем электроэнергии.
Скорость перехода пластин 13 активного участка 7 (см. фиг.2) из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно при их поочередном нагреве и охлаждении прежде всего зависит от теплопроводности и скорости течения теплоносителя, а также от ряда других тепловых и гидродинамических характеристик теплоносителя. Для достижения указанного диапазона рабочих частот генератора в десятки Гц необходимо увеличивать скорость теплоносителя до многих десятков .
Средняя температура активного участка 7 в установившемся рабочем режиме должна находиться вблизи температуры Кюри (для никеля 377 С), тогда как кратковременные скачки температур будут намного превышать среднюю. Для защиты основной части магнитной цепи, обмоток и других систем генератора от перегрева примыкающие к активным участкам 7 части 10 магнитной цепи снабжены керамическими пластинами 15, резко снижающими тепловой поток от горячих газов. Кроме того, примьпсающие части магнитопровода 1 снабжены отверстиями 16 для протока охлаждающей жидкости или газов.
Трехфазный генератор, изображенный на фиг. 3, работает следующим образом.
Продукты сгорания с температурой около 1000 С поступают под избьггочным давлением через клапанные устройства (не показаны) поочередно с фазовым сдвигом 120 градусов в первый, второй и третий входные патрубюн 8 и, соответственно, в активные участки 7. При скорости газового потока около 50  никелевые пластины 13 нагреваются от окружающей температуры до температуры около 397 С, что примерно на 20 градусов вьппе температуры Кюри никеля (377 С). Ферромагнитное состояние никелевых пластин магнитных шунтов при этом изменяется на парамагнитное.
Одновременно с подачей высокотемпературного газового потока на указанные патрубки и активные участки 7 с фазовым смещением 120 градусов подается холодный теплоноситель, например, окружающий воздух с температурой 25 С через систему клапанов также под избыточным давлением для поочередного охлаждения первого, второго и третьего магнитных шунтов до температуры около 357 С, при которой никель переходит обратно в ферромагнитное состояние.
Последующие циклические переключения горячего и холодного газовых нотоков через три упомянутые активных участка 7 позволяют циклически с временным сдвигом 120 градусов переводить материал пластин 13 из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно. Такое изменение состояния магнитных шунтов 7 приводит к поочередной трехфазной коммутации магнитного потока от намагничивающего участка 2 в трех ветвях 4, охваченных обмотками 5, и наведению в них электродвижущей силы. Обмотки 5 известным образом соединены с трехфазным потребителем электроэнергии.
Теплоотдача от греющего и охлаждающего газов к пластинам 13 магнитного шунта 7. также как и рабочая частота генератора, возрастают при увеличении теплопроводности, скорости течения теплоносителя в зазорах 14, а также ряда других тепловых и гидродинамических факторов.
Генератор по фиг.4 работает в своей электрической части аналогично описанным выше (фиг.З). Тепловые и ядерные процессы в импульсном ядерном реакторе, включаюшем неподвижные 7 и вращающиеся с помощью двигателя 18 подвижные 17 докритические сборки в настоящее время достаточно подробно изучены и параметры его для быстрого нагрева магнитных шунтов, снабженных тепловьщеляющими элементами и совмещенных с ферромагнитными пластинами 13, легко рассчитать. Основным достоинством такого источника тепла можно считать очень высокую длительность работы без применения органического топлива, а недостатком - сложность систем управления и защиты, в том числе, биологической.
Мощность электрического генератора, вьшолненного по фиг. 1.3, рассчитывается по параметрам изменения магнитного потока в магнитопроводе и в выходной обмотке обычным образом (см. М.М.Кацман Электрические машины, 2-е изд., Москва, Высшая школа, 1990 г., с. 28). Э.д.с. в выходной обмотке при этом пропорциональна количеству ее витков, максимальному магнитному потоку и частоте перемагничивания магнитопровода или магнитных шунтов, то есть частоте коммутации магнитного потока. В свою очередь, как указьшалось, указанная частота есть прямая функция скорости теплообмена между теплоносителями и пластинами 13 магнитных шунтов 7. Таким образом эффективность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и к.п.д. генератора могут быть рассчитаны по указанным параметрам магнитной цепи и упомянутым характеристикам теплообмена.
Параметры предложенного генератора могут быть также оптимизированы по тепловым, технологическим и электромагнитным характеристикам применяемых элементов. Предельные параметры такого генератора при импульсном нагреве пластин шунтов с помощью импульсного ядерного реактора и жидкостном охлаждении шунтов могут превысить сотни кВт при затратах, сравнимых с затратами на создание, например, термоэмиссионных генераторов на меньшие мощности.