СПОСОБ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ИМПУЛЬСНОГО ДЕТОНАЦИОННОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ И ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO DIRECTLY CONVERT ENERGY OF IMPULSE DETONATION FUEL COMBUSTION INTO ELECTRIC POWER AND AC GENERATOR FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к энергетике и транспорту, а именно к получению электрической энергии от химической реакции детонационного сгорания топлива с высоким КПД - более 50% и высокой удельной мощностью - более 5 кВт/кг.
Известны способ и устройство преобразования потока ионизированного вещества в электрическую энергию по патенту RU 2109393 С1, Н02К 44/00, 1995 г.
В соответствии с указанным способом ионизированный газовый поток путем взаимодействия с камерами сгорания формируют в виде движущихся по кругу областей высокого давления, несущих заряды противоположной полярности. Электрическую энергию снимают с обмоток магнитопроводов, связанных силами электромагнитной индукции с движущимися объемными зарядами.
Указанное устройство содержит тороидальный канал, камеры сгорания, термоэлектроды, связанные положительной обратной связью с обмотками возбуждения магнитопроводов.
Описанный способ получения электрической энергии наиболее близок к заявляемому способу, но требует большего расхода топлива, имеет меньшие показатели КПД и удельной мощности. Устройство-прототип имеет сложную конструкцию, в которую входят не менее шести камер сгорания, присоединенных к тороидальному каналу.
Задачей заявляемого изобретения является преобразование энергии детонационного сгорания топлива в электрическую энергию без использования промежуточных механических устройств с высокими показателями КПД - более 50% и удельной мощности - более 5 кВт/кг.
Решение этой задачи достигается тем, что компоненты топлива, например водород и воздух, подают под давлением в смесительные камеры и через быстродействующие механические клапана в детонационные камеры сгорания. Последние располагают навстречу друг другу и соединяют через сверхзвуковые сопла и отрезок трубы, являющейся рабочим каналом, в единое устройство, имеющее выхлопную систему. В установившемся режиме область высокого давления продуктов химической реакции в виде ударной волны движется возвратно-поступательно в рабочем канале со скоростью не менее 2,5М местной скорости звука для смеси водорода с воздухом, где М - число Маха, что обеспечивает сжатие ранее введенной в детонационную камеру сгорания подготовленной топливной смеси, при закрытом в этот момент времени механическом клапане. Минимальную скорость ударной волны в рабочем канале уменьшают путем установки внутри детонационной камеры сгорания катализатора нужной химической реакции и выбором ее геометрической формы. Также эта скорость зависит от вида применяемого топлива.
После сгорания порции топливной смеси ударная волна получает дополнительную энергию и движется к противоположной камере сгорания, а давление в данной камере становится меньше давления смешивающихся компонентов топлива перед механическим клапаном, что заставляет данный клапан открыться и впустить новую порцию топливной смеси. Количество и качество поступающей топливной смеси зависит от входного давления компонентов топлива и должно обеспечивать скорость ударной волны в рабочем канале не ниже минимальной, во всех режимах работы устройства, кроме запуска.
Отделение некоторого количества электронов от ионов производят коротким по длительности, мощным электромагнитным импульсом, который формирует входная обмотка магнитопровода, охватывающего камеру сгорания, за счет подачи на нее импульса напряжения в момент детонационного сгорания топливной смеси. Длительность такого импульса соответствует времени детонационного сгорания топлива и выхода продуктов реакции из камеры и составляет несколько десятков микросекунд. Тогда магнитопровод камеры сгорания должен работать на частотах выше 10 кГц. Сила электромагнитной индукции при этом направлена таким образом, что ускоряет ионы в сторону выхода из камеры сгорания, а электроны в сторону каталитического электрода, на котором в этот момент времени присутствует высокое положительное значение напряжения, которое получают со второй высоковольтной обмотки данного магнитопровода. Второй конец высоковольтной обмотки подключают к термоэмиссионному электроду в выхлопной трубе, где отработанные газы деионизируют. Каталитический электрод изготавливают из такого материала, который хорошо проводит электрический ток, максимально эффективно отнимает электроны у молекул водорода и возможно других газов в начальный момент времени протекания химической реакции, выдерживает высокую температуру, имеет развитую структуру поверхности. Выведение из камер сгорания электронов с помощью каталитического электрода способствует ускорению химических реакций, а также формированию в области высокого давления ударной волны положительного объемного заряда, движущегося по рабочему каналу возвратно-поступательно, связанного силами электромагнитной индукции с несколькими магнитопроводами, охватывающими рабочий канал, с выходных обмоток которых снимают напряжение переменного тока, которое используют.
Устройство состоит из системы регулировки давления компонентов топлива, например сжатого воздуха и водорода, смесительных камер, быстродействующих механических клапанов, камер детонационного сгорания, соединенных через сверхзвуковые сопла с рабочим каналом, выхлопной системы, магнитопроводов с выходными обмотками, магнитопроводов камер сгорания, имеющих входную и высоковольтную обмотки, каталитических и термоэмиссионных электродов. Камеры сгорания, сверхзвуковые сопла и рабочий канал изготавливают из немагнитного материала с внутренним диэлектрическим покрытием или из немагнитного диэлектрика, например ударопрочной керамики.
Устройство запускают в работу путем инициирования детонационного горения электрическими разрядами необходимой мощности и частоты, полученными при подключении выхода высоковольтной обмотки, связанного с термоэмиссионным электродом, к электропроводящему корпусу быстродействующего механического клапана.
3
3
Заявляемая совокупность операций, элементов и связей позволяет решить поставленные задачи изобретения за счет оптимизации процесса преобразования энергии движущегося потока вещества в электрическую энергию. Известно, что при детонационном сгорании топлива удельная мощность на несколько порядков превышает обычные двигатели внутреннего сгорания, так, детонационная камера сгорания объемом 10 см с частотой работы 1,5 кГц, при использовании в качестве топлива смеси водорода и воздуха с начальным давлением 300 кПа, преобразует энергию импульсных скачков температуры и давления внутри камеры сгорания в импульсную кинетическую энергию потока вещества на выходе расширяющегося сверхзвукового сопла с мощностью около 150 кВт, что соответствует объему современного двигателя внутреннего сгорания примерно 2000 см. Потери тепла в камере сгорания невелики, так как реакция протекает очень быстро, а температура стенок определяется только жаростойкостью материала, из которого она изготовлена, и может поддерживаться на уровне 700-800 К и более. Далее продукты реакции движутся в расширяющемся сверхзвуковом сопле, преобразуя свою тепловую энергию в кинетическую. Размер входного сечения сопла в 25-36 раз меньше выходного сечения, что уменьшает температуру газов в 5-6 раз, примерно с 3000 К - температура детонационного горения водорода, до 600-500 К. Далее в рабочем канале потери тепла минимальны.
Вышеперечисленные процессы и потери энергии на внутреннее трение газов отнимают 30-40% полной энергии сгорания.
Преобразование возвратно-поступательного движения ударной волны, несущей объемный заряд, в электрическую энергию происходит с КПД более 90%, так же, как в трансформаторах переменного тока на частотах выше 400-1000 Гц, имеющих высокоэффективный магнитопровод из специального материала.
Таким образом, суммарные потери полной энергии горения в данном устройстве составляют меньше 50%, а КПД преобразования тепловой энергии в электрическую больше 50%, что решает одну из заявленных задач изобретения.
Масса устройства в основном складывается из массы корпуса с газовыми каналами и массы магнитопровода. Удельная мощность корпуса при использовании импульсного детонационного горения с частотой импульсов выше 1000 Гц в двух камерах детонационного горения, направленных навстречу друг другу, составит более 20 кВт/кг, тогда удельная мощность устройства в большей степени определяется массой магнитопровода, способного работать на частоте переменного электромагнитного поля выше 500 Гц с высокой эффективностью, и составит для пермаллоев более 7 кВт/кг, что в сумме дает показатель удельной мощности всего устройства более 5 кВт/кг и решает вторую и последнюю из заявленных задач изобретения.
При изучении известных технических решений в данной области совокупность признаков, отличающих заявляемое изобретение, не была выявлена. Данное решение существенно отличается от известных, явным образом не следует из уровня техники и, соответственно, имеет изобретательский уровень.
Так как заявляемое решение может быть реализовано современными средствами и материалами, то оно является промышленно применимым.
Прилагаемый чертеж поясняет суть предлагаемого способа и устройства для его реализации.
На чертеже показаны основные компоненты генератора переменного тока, преобразующего энергию движения ударных волн в электрическую энергию. Для примера в качестве топлива используют водород.
На чертеже обозначено:
1 - система регулировки давления компонентов топлива,
2 - жиклер сжатого воздуха,
3 - жиклер сжатого водорода,
4 - смесительная камера,
5 - быстродействующий механический клапан,
6 - камера импульсного детонационного сгорания,
7 - каталитический электрод,
8 - высоковольтная обмотка,
9 - высоковольтный коммутатор,
10 - устройство управления и преобразования электроэнергии,
11 - входная обмотка,
12 - магнитопровод камеры сгорания,
13 - сверхзвуковое сопло,
14 - рабочий канал,
15 - выхлопная система,
16 - термоэмиссионный электрод,
17 - жиклер выхлопной системы,
18 - магнитопровод,
19 - выходная обмотка,
20 - устройство сжатия атмосферного воздуха.
Генератор переменного тока, показанный на чертеже, содержит систему регулировки давления 1, через которую компоненты топлива, например водород и воздух, подают в соответствующие жиклеры 2 и 3. Далее компоненты топлива смешиваются в смесительной камере 4 такого объема и геометрической формы, которые необходимы для их качественного перемешивания. Быстродействующий механический клапан 5 имеет подвижную запорную часть из легкого и прочного материала, но предельная частота работы клапана 6-9 кГц накладывает ограничения на размеры, вес и длину хода этой подвижной части. Так, подвижная запорная часть из алюминиевого сплава, имеющая диаметр 2,5 мм, толщину 0,6 мм и длину хода 0,37 мм, способна работать с предельной частотой 6,5 кГц при перепадах давления между входом и выходом клапана более 300 кПа. Эти геометрические параметры определяют диаметр запираемого отверстия, который в данном примере составит 1,5 мм. Понятно, что через отверстие такого диаметра поступает ограниченное количество топливной смеси, и для увеличения этого количества применяют несколько быстродействующих клапанов, работающих параллельно.
Далее топливная смесь поступает в камеры импульсного детонационного сгорания 6, где с помощью каталитического электрода 7 и электрического разряда необходимой мощности смесь сжигают в режиме детонации. Величина энергии электрического разряда, необходимая для инициирования детонации, зависит от начального давления газовой смеси, геометрической формы и размеров камеры сгорания, эффективности катализатора, длины разрядного промежутка и ограничена тепловой стойкостью каталитического электрода и изолятора. Для формирования электрических разрядов используют высоковольтную обмотку 8, один из выходов которой на время запуска подключают к корпусу механического клапана через высоковольтный коммутатор 9. Импульсы напряжения подают с устройства управления и преобразования электроэнергии 10 на входную обмотку 11 магнитопровода камеры сгорания 12. В начальный момент времени запуска электрические разряды в двух камерах детонационного сгорания следуют с частотой, зависящей от расстояния между этими камерами, которое определяет начальную резонансную частоту запуска устройства. Сдвиг фаз между разрядами в двух встречно направленных камерах сгорания составляет 180°.
Две камеры детонационного сгорания соединяют через расширяющиеся сверхзвуковые сопла 13 и рабочий канал 14 в единое устройство. Камера сгорания, сопло и рабочий канал имеют диэлектрическое покрытие или сделаны из немагнитного диэлектрического материала, например из ударопрочной керамики.
В процессе запуска устройства в рабочем канале происходит накопление энергии в виде движущейся возвратно-поступательно ударной волны, скорость которой увеличивают путем одновременного подъема давления компонентов топлива и частоты следования электрических разрядов. Скорость ударной волны менее чем за несколько секунд поднимают до такой минимально необходимой скорости, при которой энергии движения этой волны достаточно для сжатия вновь поступившей топливной смеси. В этот момент высоковольтный коммутатор размыкают, а устройство переходит в режим инициирования детонационного горения с помощью ударной волны - режим пересжатой детонации. Для смеси водорода с воздухом, в отсутствие катализатора, минимальная скорость ударной волны в рабочем канале составит 2,5М местной скорости звука, где М - число Маха. Давление компонентов топлива регулируют таким образом, чтобы скорость ударной волны в рабочем канале во всех режимах работы устройства, кроме запуска, была выше минимальной.
Когда в какой-либо из камер происходит детонационное сгорание топлива, система управления подает мощный импульс напряжения длительностью несколько десятков микросекунд на входную обмотку магнитопровода данной камеры сгорания, при этом внутри камеры возникает сила электромагнитной индукции, которая ускоряет ионы в сторону рабочего канала, а электроны в сторону каталитического электрода, на котором в этот момент времени присутствует высокое положительное напряжение. Каталитические свойства электрода в сочетании с электромагнитными силами позволяют выводить электроны в выхлопную систему устройства 15 через термоэмиссионный электрод 16, где происходит деионизация отработанных газов. Так, в рабочем канале получают положительный объемный заряд.
Сечение жиклера выхлопной системы 17 рассчитано исходя из максимальной мощности устройства таким образом, чтобы величина усредненного давления в рабочем канале не превышала заданную.
Ударная волна в виде области высокого давления, несущей объемный заряд, движется возвратно-поступательно и взаимодействует с магнитопроводом 18 за счет силы электромагнитной индукции, наводящей в выходной обмотке 19 напряжение переменного тока.
Импульсы давления газов в выхлопной системе используют для сжатия атмосферного воздуха в соответствующем устройстве 20.
Осуществление способа прямого преобразования энергии импульсного детонационного горения топлива в электрическую энергию заключается в следующем.
Компоненты топлива, например водород и воздух, подают под давлением более 200 кПа в смесительные камеры, где происходит качественное перемешивание, но не воспламенение этой смеси, и далее через быстродействующие клапаны в две камеры детонационного горения, направленные навстречу друг другу и соединенные в единое устройство через сверхзвуковые сопла и рабочий канал. В установившемся режиме, путем изменения входного давления компонентов топлива, поддерживают такую скорость ударной волны в рабочем канале, которая необходима для сжатия топливной смеси. В момент детонационного сгорания топливной смеси температура и давление продуктов реакции скачком достигают больших величин, около 3000 К и более 20-30 МПа для смеси водорода с воздухом, что способствует появлению свободных электронов и ионов, то есть частичной ионизации газов в камере сгорания. В этот же момент времени с помощью мощного электромагнитного импульса эти электроны выводятся из камеры сгорания через каталитический электрод. Таким образом, в рабочем канале за некоторое количество тактов работы устройства происходит накопление положительно заряженных частиц - ионов, движущихся в области высокого давления ударной волны. Величина такого объемного заряда тем больше, чем больше сила электромагнитной индукции, препятствующая перемещению заряженных частиц вдоль оси рабочего канала, и, соответственно, чем больше величина нагрузки, подключенной к выходной обмотке. Диэлектрическое покрытие препятствует деионизации заряженных частиц у стенок устройства. Благодаря возвратно-поступательному движению объемного заряда по рабочему каналу в выходной обмотке наводится напряжение переменного тока, которое используют.
По заявленному изобретению выполнено конструирование и моделирование отдельных узлов генератора электрической энергии.
Областью применения изобретения является производство электроэнергии с помощью стационарных и мобильных генераторов, использующих топливо с высокой эффективностью. Для таких генераторов в качестве топлива предпочтительнее использовать водород, имеющий наибольшую скорость горения. Простота конструкции и высокая частота генерируемого электрического тока, выше 600 Гц при разумной длине рабочего канала менее 1 м, позволяют многократно уменьшить вес и размеры предлагаемого устройства в сравнении с существующими генераторами той же мощности.