МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
MAGNETOHYDRODYNAMIC GENERATOR

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах (МГДГ).
Известен МГД-генератор по патенту №2516433. Принцип его действия заключается в использовании водяного топлива путем диссоциации воды на водород и кислород и сжигания этого водорода, он отличается тем, 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, выполненный в виде сопла Лаваля, форсунку для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды для создания высоковольтной дуги, магнитную систему, расположенную в области расширяющейся части (диффузора) сопла, и средство съема электрического тока (электроды). Средство может быть выполнено индукционным (т.е. безэлектродным). МГД-генератор также содержит дополнительную форсунку для подачи воды или водяного пара в сопло в области его сужающейся части.
Недостатком данного аналога является высокая температура стенки МГД-генератора при выбранном уровне ионизации плазмы (рабочего тела).
Известен МГД-генератор, содержащий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, открытые торцы которого служат для впуска и выведения жидкостной рабочей среды, электромагнитные обмотки, создающие магнитное поле, направленное перпендикулярно оси цилиндра, и размещенные в цилиндре электроды, установленные параллельно направлению магнитного поля (см. патент Японии №2713216, кл. H02K 44/00, опубл. 1998). В известном генераторе в качестве рабочей электропроводной среды, перемещающейся вдоль оси цилиндра, используется морская вода, например, в виде морских волн, а электрическая нагрузка подключена к электродам. Недостатком является низкая скорость движения рабочей среды - морской воды в полом цилиндре, что снижает эффективность МГД-генератора.
1
1
Прототипом заявляемого изобретения является классический фарадеевский МГД-генератор с линейным соплом и сегментированными электродами, приведенный в пособии Панченко В.П. «Введение в магнитогидродинамическое (МГД) преобразование энергии» (2011, 55 с.). Устройство имеет в своем составе источник рабочего тела, сопло, магнитогидродинамический канал (МГД-канал) с изоляционным покрытием внутренней поверхности, на котором противоположно друг другу размещены несколько пар электродов для съема генерируемого напряжения, подключенных параллельно нагрузке, расположенную снаружи МГД-канала электромагнитную систему, охватывающую зону размещения электродов, и диффузор.
Устройство по прототипу работает следующим образом. В источник рабочего тела подается рабочее тело - слабоионизированная плазма. Далее рабочее тело попадает в сопло, где ускоряется до сверхзвуковых скоростей. Движущееся со сверхзвуковой скоростью рабочее тело переходит в МГД-канал, где за счет взаимодействия с магнитным полем заряженные частицы отклоняются от прямолинейной траектории, попадают на электроды. Между электродами возникает электрический ток. При этом электроны совершают полезную работу в электрической нагрузке. Затем рабочее тело попадает в диффузор и далее на выход (в случае МГД-генератора открытого типа).
Недостатком прототипа является высокая температура стенок, которая является следствием высокой температуры рабочего тела МГДГ. Высокая температура рабочего тела обусловлена необходимостью иметь как можно большую степень ионизации рабочего тела, большую электропроводность и, как следствие, большие значения получаемой в полезной нагрузке электрической мощности.
Технической задачей, вытекающей из современного уровня науки и техники, является повышение КПД, надежности и долговечности МГДГ за счет обеспечения более высокой электропроводности рабочего тела при более низких температурах и снижения температуры стенки МГДГ до уровня, при котором материал стенки МГДГ не будет разрушаться при взаимодействии с рабочим телом в течение длительного промежутка времени.
Указанная задача решается тем, что магнитогидродинамический генератор (МГДГ), имеющий в своем составе источник рабочего тела, сопло, магнитогидродинамический канал (МГД-канал) с изоляционным покрытием внутренней поверхности, на котором противоположно друг другу размещены несколько пар электродов для съема генерируемого напряжения, подключенных параллельно нагрузке, расположенную снаружи МГД-канала электромагнитную систему, охватывающую зону размещения электродов, и диффузор, снабжен двумя дополнительными электродами - полевым анодом и полевым катодом, установленными противоположно друг другу на внутренней поверхности начального участка МГД-канала до зоны размещения электродов для съема генерируемого напряжения, регулируемым преобразователем напряжения, подключенным параллельно нагрузке, и блоком управления, выход которого соединен с сигнальным входом регулируемого преобразователя напряжения, причем полевой анод и полевой катод соединены соответственно с положительным и отрицательным полюсами регулируемого преобразователя напряжения, при этом оболочки источника рабочего тела, сопла и диффузора выполнены из электропроводящего материала, а на их внешние поверхности, а также на поверхность полевого катода, омываемые рабочим телом в процессе работы МГДГ, нанесен эмиссионный слой из материала с низкой работой выхода электронов.
2
Снижение температуры стенки МГДГ обусловлено тем, что при движении рабочего тела в источнике рабочего тела, сопле и диффузоре происходит нагрев их поверхности до температур, при которых с поверхности эмиссионного слоя происходит термоэлектронная эмиссия, то есть начинают выходить электроны. При этом электроны забирают с собой большое количество тепловой энергии. Известно, что величина электронного охлаждения при термоэлектронной эмиссии может составлять величину порядка 1,5-9 МВт/м. В результате стенки источника рабочего тела, сопла и диффузора охлаждаются. Одновременно, попадая в рабочее тело, электроны эмиссии со стенок рабочего тела и сопла увеличивают его электропроводность. Кроме того, дополнительное повышение электропроводности рабочего тела обеспечивается тем, что перед магнитной системой диаметрально противоположно установлены электроды - полевой катод и полевой анод. На полевой катод и полевой анод с нагрузки через преобразователь напряжения подается высокое напряжение полярностью «-» и «+» соответственно. В результате между полевым катодом и полевым анодом создается электрическое поле высокой напряженности. Это поле, воздействуя на электроны эмиссии с полевого катода, обеспечивает переход электронов эмиссии от его поверхности к области, в которой скорость потока рабочего тела максимальна или близка к ней. При этом электроны эмиссии ускоряются полем и при движении их от полевого катода к полевому аноду происходит их соударение с нейтральными частицами потока рабочего тела. В результате соударений ускоренных полем электронов эмиссии с нейтральными атомами и молекулами потока рабочего тела образуются ионы. Как следствие увеличивается электропроводность рабочего тела, что также способствует увеличению генерируемой МГДГ электрической мощности, а также его КПД.
Единым техническим результатом, достигаемым при реализации заявляемого изобретения, является повышение КПД за счет увеличения проводимости рабочего тела, благодаря чему увеличивается получаемое в результате МГД преобразования количество электрической энергии, а также повышение надежности и долговечности МГДГ вследствие снижения температуры стенок источника рабочего тела, сопла и диффузора при их электронном охлаждении, обусловленном процессом реализации явления термоэлектронной эмиссии. Особенно это актуально для МГД-генераторов на органическом топливе.
На чертеже представлен заявляемый МГДГ.
Заявляемый МГД-генератор состоит из источника рабочего тела 1, сопла 2, МГД-канала 3, электромагнита 4, полевого катода 5, полевого анода 6, регулируемого преобразователя напряжения (РПН) 7, блока управления 8, электродов 9 для съема генерируемого напряжения, диффузора 10, эмиссионного слоя 11, полезной электрической нагрузки 12, электроизоляционного слоя 13.
Источник рабочего тела 1 предназначен для создания рабочего тела, которым является низкотемпературная плазма. В качестве источника рабочего тела может выступать камера сгорания органического топлива, например метана. Сопло 2 предназначено для ускорения потока рабочего тела до высоких дозвуковых или сверхзвуковых скоростей. МГД-канал 3 предназначен для организации МГД-взаимодействия, то есть воздействия магнитного поля, создаваемого электромагнитом 4 на поток рабочего тела (слабоионизированной плазмы), заряженные частицы которого (электроны и ионы) отклоняются от прямолинейной траектории под действием силы Лоренца. Электроды 9 предназначены для восприятия электронов из потока рабочего тела и перенаправления их в полезную электрическую нагрузку 12.
Полевой катод 5 и полевой анод 6, подключенные соответственно к отрицательному и положительному полюсам РПН 7, предназначены для создания электрического поля высокой напряженности в направлении, перпендикулярном скорости движения потока рабочего тела. Данное поле ускоряет электроны эмиссии, вышедшие из эмиссионного слоя 11 катода 5, так что электроны эмиссии ускоряются в направлении от полевого катода 5 к полевому аноду 6. Ускоренные таким образом электроны эмиссии сталкиваются с нейтральными атомами и частицами потока рабочего тела и ионизируют их. В результате увеличивается степень ионизации рабочего тела, а значит и его электропроводность. Все это способствует увеличению КПД МГДГ. РПН 7 предназначен для создания напряжения между полевым катодом 5 и полевым анодом 6. Блок управления 8 служит для изменения величины напряжения между полевыми электродами 5 и 6. При этом РПН 7 подключен параллельно полезной электрической нагрузке 12. Таким образом, происходит отбор части производимой МГДГ электрической энергии на создание электрического поля между полевым катодом 5 и полевым анодом 6. Диффузор 10 предназначен для снижения скорости потока рабочего тела до малых дозвуковых скоростей и вывода его в окружающее пространство в случае МГДГ открытого цикла или перенаправления его в источник рабочего тела 1. Эмиссионный слой 11 предназначен для обеспечения высокой плотности тока эмиссии полевого катода 5 и электронного охлаждения стенок элементов МГДГ. Электроизоляция 13 обеспечивает исключение электрического контакта между стенками элементов МГДГ и электродами 9 для съема генерируемого напряжения, между стенками элементов МГДГ и полевым катодом 5 и полевым анодом 6.
Заявляемое изобретение представлено на чертеже.
МГДГ работает следующим образом.
В источник рабочего тела 1 подается рабочее тело - слабоионизированная плазма. При этом происходит нагрев эмиссионного слоя 11 до температур, при которой с его поверхности начинают выходить электроны, то есть протекает явление термоэлектронной эмиссии. Электроны эмиссии забирают с собой большое количество тепловой энергии и в результате стенки источника рабочего тела 1 охлаждаются. Одновременно, попадая в рабочее тело, электроны эмиссии увеличивают его электропроводность. Таким образом, при более низких температурах рабочего тела увеличивается его электропроводность. Далее рабочее тело попадает в сопло 2, где происходит увеличение скорости его движения. Стенки сопла 2 также покрыты эмиссионным слоем 11 и при нагреве стенки происходит термоэлектронная эмиссия электронов из стенки сопла. Это также приводит к их охлаждению и увеличению проводимости рабочего тела.
При попадании электронов в поток рабочего тела, с одной стороны, происходит перераспределение заряда в рабочем теле, которым является слабоионизированная плазма, а с другой - электроны эмиссии уносятся этим рабочим телом от места эмиссии. Таким образом, ликвидируется пространственный заряд, препятствующий дальнейшей эмиссии, что приводит к увеличению плотности тока эмиссии, а, также более эффективному охлаждению стенок элементов МГДГ.
На полевые катод 5 и анод 6 с РПН 7 подается напряжение, регулируемое при помощи блока управления 8 таким образом, чтобы максимально увеличить значение КПД МГДГ. Электроны эмиссии с полевого катода 5, попадая в зону действия поля высокой напряженности, ускоряются в направлении, перпендикулярному потоку
Пересекая поток рабочего тела электроны сталкиваются с компонентами рабочего тела. При этом нейтральные атомы и молекулы рабочего тела ионизируются при столкновении с ускоренными полем электронами эмиссии. Таким образом происходит увеличение степени ионизации рабочего тела МГДГ и увеличение его электропроводности, что приводит к увеличению КПД МГДГ.
При попадании электронов на электроды 9 они направляются в нагрузку 12, где совершают полезную работу.
Далее после МГД-канала 3 рабочее тело попадает в диффузор 10, где скорость и температура его уменьшаются. Рабочее тело ввиду остывания нейтрализуется.
Таким образом, решается указанная техническая задача и получается технический результат, который заключается в повышении КПД, надежности и долговечности МГДГ за счет применения явления термоэлектронной эмиссии. При этом происходит снижение температуры стенок наиболее высокотемпературных областей МГДГ, снижение градиентов температур вдоль стенок элементов МГДГ и снижение на данной основе температурных напряжений. Кроме того, обеспечивается повышение электропроводности рабочего тела при более низких его температурах как вследствие инжекции в него электронов с поверхностей источника рабочего тела и сопла, покрытых эмиссионным слоем, так и за счет появления в нем дополнительных электронов и ионов, образованных при столкновении ускоренных электрическим полем электронов эмиссии с полевого катода и нейтральных атомов и молекул рабочего тела, что в конечном итоге ведет к значительному повышению КПД.
Следовательно, электроны эмиссии участвуют в увеличении проводимости рабочего тела МГДГ как за счет эмиссии электронов со стенок элементов МГДГ, так и за счет столкновений электронов эмиссии с полевого катода 5, ускоренных при помощи электрического поля между полевым катодом 5 и полевым анодом 6, с нейтральными атомами и молекулами рабочего тела с последующей их ионизацией.
Заявляемый МГД-генератор можно применять в системах преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, в том числе в течение длительного времени, включая применение органического топлива.