ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ МГД-УСТАНОВКА КРАТКОВРЕМЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области энергетики и геофизики, конкретно - к МГД-генераторам электрической энергии, работающим на низкотемпературной плазме, получаемой при добавлении в высокотемпературные газовые потоки солей щелочных металлов - калия и цезия.
Известны МГД-генераторы открытого цикла, работающие на продуктах сгорания органических топлив, причем для достижения необходимых температур, обеспечивающих требуемую для их эффективной работы электропроводность плазмы, необходимо использовать в качестве окислителя кислород - жидкий или газообразный, либо воздух, который необходимо нагревать в регенеративных воздухоподогревателях, и, как правило, одновременно применять его кислородное обогащение. Оба способа получения высокой температуры потока перед МГДГ требуют больших дополнительных капиталовложений, а второй - еще и затрат энергии, ЧТО снижает КПД энергоустановок [Роза. Магнитогидродинамическое преобразование энергии. М. 1970 г., 288 стр.; МГД-генераторы открытого цикла. Под редакцией М. Петрика и Б.Я.Шумяцкого, М., Наука, 1979 г., 583 стр.].
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является МГД-генератор кратковременного действия, используемый для различных специальных целей, в первую очередь - для геофизических исследований, достижение необходимых температур рабочего потока и его электропроводности осуществляется использованием жидких, а на последней стадии их развитиия - гибридных и твердых ракетных топлив, причем максимальные температуры и электропроводность плазмы достигаются при добавлении порошков металлов алюминия и магния [Бреев. А.В.Губарев, В.П.Панченко "Сверхзвуковые МГД-генераторы, М., Энергоатомиздат, 1988 г., 239 стр., прототип].
Недостатком указанных МГД-генераторов, во-первых, является то обстоятельство, что компоненты топлива (горючее и окислитель) для них слишком дороги для использования в МГД-генераторах при производстве электроэнергии в широких масштабах и требуют специальных мероприятий при их транспортировке и хранении.
Вторым недостатком таких МГД-генераторов при весьма высоких параметрах рабочего потока и его большой химической агрессивности является ограниченный ресурс работы МГД-каналов, который составляет не более десятков секунд.
Третьим недостатком является сравнительно малый КПД таких энергоустановок и небольшая доля энтальпии, отбираемая от рабочего потока газа, составляющая, как правило, не
2
более 10%, причем ограничение вырабатываемой мощности главной причиной имеет малый параметр МГД - взаимодействия (~σU, где σ и U - электропроводность и скорость потока плазмы соответственно).
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу повышения эффективности МГД-установки за счет снижения стоимости используемых компонентов топлива, снижения агрессивности рабочего тела и увеличения доли энтальпии, отбираемой от потока рабочего тела.
Поставленная техническая задача решается тем, что в энергетической МГД-установке кратковременного действия, содержащей установленные последовательно камеру сгорания с системами подачи горючего, окислителя, ионизирующейся присадки, сверхзвуковое сопло, канал МГД-генератора с магнитом и инвертором, диффузор, блок охлаждения и очистки отработанного рабочего тела, в системе подачи компонентов топлива установлены устройства для подачи мелкодисперсного порошка алюминия в качестве горючего и подачи воды или водяного пара в качестве окислителя.
Такое решение поставленной технической задачи приводит к тому, что предлагаемая энергоустановка отличается от установок с МГД-генераторами по открытому циклу на любом органическом топливе, а также на ракетных топливах высокой экологичностью в силу практического отсутствия выбросов оксидов азота и оксидов углерода.
В силу высоких значений электропроводности плазмы и параметра МГД-взаимо-действия, а также из-за отсутствия энергозатрат на сжатие или сжижение окислителя в энергетических МГД-установках открытого цикла эффективность (КПД) предлагаемых энергоустановок существенно выше, чем у указанных МГД-установок.
Следует особо отметить, что предлагаемая энергоустановка с МГД-генератором относится к разряду энергосберегающих, в связи с одновременным производством электроэнергии и водорода, причем тепловая энергия, выделяемая при его использовании, как вторичного чистого топлива, соизмерима с энергией, выделяемой при горении соответствующей массы высокодисперсного алюминия в парах воды.
В предлагаемой энергосберегающей установке МГД-генератор электрической энергии работает на низкотемпературной плазме, получаемой при сжигании алюминия в водной среде. При этом алюминий - основное горючее в такой энергоустановке - используется как промежуточный энергоноситель, массовое производство которого достигает миллионов тонн в год, и по своим удельным массо-габаритным характеристикам, а также по простоте и безопасности производства, транспортировки и хранения значительно превосходит любые органические и специальные топлива. В то же время вода, используемая в качестве окислителя,
во всех отношениях имеет несомненные преимущества перед любыми другими видами окислителей, используемых в энергетических устройствах.
Схема предлагаемой МГД энергоустановки показана на Фиг.1.
Предлагаемая энергетическая МГД-установка кратковременного действия содержит камеру сгорания, систему подачи горючего и окислителя, систему подачи ионизирующейся присадки, сверхзвуковое сопло, канал МГД-генератора, магнит, инвертор, диффузор, блок охлаждения и очистки отработанного рабочего тела.
2
3
Предлагаемая энергетическая МГД-установка кратковременного действия работает следующим образом: в камеру сгорания 1 подается высокодисперсный порошок алюминия и вода и/или пар. Подача горючего может осуществляться как в виде сухого порошка, так и в виде водяной суспензии или аэрозоля, причем несущим газом при пневмотранспортировке лучше всего использовать водород или водяной пар. Одновременно в камеру сгорания 1, где имеет место реакция алюминия с водяным паром при их соотношении, близком к стеохиометрическому, подается легкоионизируемая присадка из системы ввода присадки 3 - соединения калия в виде водяных растворов или сухих порошков. После камеры сгорания 1 поток низкотемпературной плазмы, состоящий по мольному составу приблизительно на 70% из водорода в газообразной фазе и на ~30% - из оксидов алюминия в жидкой высокодисперсной фазе направляется в сопло 4 и далее в канал МГДГ 5 и диффузор 8, откуда - в блок охлаждения и очистки рабочего тела 9, где осуществляется охлаждение рабочего тела, сепарация и улавливание твердой дисперсной фазы (АlО) и присадки в виде водных суспензий и концентрированных растворов. Очищенный от соединений присадки, оксида алюминия и остаточной воды водород на выходе из энерго установки является одновременно с электроэнергией производимым продуктом в качестве экологически чистого топлива для транспорта и других целей, в том числе и для экологически чистой энергетики.
Предлагаемая энергоустановка с МГД-генератором с использованием высокодисперсного алюминия в качестве топлива и водяного пара в качестве окислителя отличается от прототипа - МГД-генераторов, работающих на топливах типа ракетных, рядом параметров и особенностей.
Во-первых - это на порядок меньшая стоимость производимой электроэнергии. В силу существенно более низкой стоимости порошкового алюминия и водяного пара, как элементов топливной композиции, чем алюминизированных твердых ракетных топлив, используемых в геофизических и им подобных МГД-установках.
Вторым отличительным преимуществом предлагаемой МГД-установки является возможность достижения ресурса МГД канала на несколько порядков более высокого, чем у прототипа - МГД-генераторов кратковременного действия для геофизических исследований
2
2
и других целей. Такое увеличение срока службы МГД канала имеет место, во-первых, в результате существенно (на полтора-два порядка) меньшей концентрации компонентов в рабочем потоке, ответственных за окисление и коррозию высокотемпературных материалов, применяемых в конструкции огневых стенок, т.к. основным компонентом в газовом потоке в предлагаемых МГД-генераторах является водород, а окислительные агрессивные компоненты типа О, О, ОН, НО имеют мольную долю в термодинамически равновесном составе суммарно не более 2%. К тому же водород является значительно менее излучающей средой, чем продукты сгорания, и это обстоятельство безусловно снижает радиационные потоки из объема камеры сгорания и МГД канала на их огневые стенки, что существенным образом облегчает проблему охлаждения и поддержания температур элементов конструкций на оптимальном уровне.
2
3
ti
С другой стороны, высаждение частиц К-фазы на стенки канала МГД-генератора способствует созданию на их поверхности гарнисажных пленок из расплавленного АlО и появлению эффекта гарнисажной теплозащиты огневых стенок. При этом условия работы огневых стенок предлагаемых МГДГ весьма схожи с условиями работы достаточно хорошо разработанных и неоднократно успешно испытанных МГД-генераторов, работающих при сжигании угля: как показали длительные ресурсные испытания (до 1000 часов и более, см. например [Study of the U-25B MHD Generator system in Strong Electric and Magnetic Fields 18 Symposium Engineering Aspects of Magnetohidrodynamics, p A.5.1 Butte, Montana, 1979]), уже достигнутый ресурс МГД-каналов составляет не менее нескольких тысяч часов.
-1
-1
Как показывает опыт испытаний МГДГ на шлаках и исследований свойств последних, для достижения оптимального эффекта тепловой гарнисажной защиты огневых стенок разгонного сопла и МГД-канала, необходимо, чтобы жидкотекущие шлаковые пленки на огневой поверхности имели достаточно высокую температуру (~2000 К) и одновременно достаточную электропроводность (более 10 OM/м), что дает возможность протекания токов на поверхность собственно электродов.
Следует отметить, что тепловые нагрузки, т.е. тепловые потоки и температуры поверхности огневых стенок в предложенных МГД-установках значительно ниже, чем у МГДГ, работающих на порохах с добавлением металлов, в силу значительно меньших давлений в камерах сгорания. Это также позволяет существенно увеличить ресурс основных элементов МГДУ, в первую очередь - камеры сгорания, сверхзвукового сопла и МГД-канала.
Третьей отличительной особенностью предлагаемой МГД-установки на продуктах сгорания высокодисперсного алюминия в парах воды является существенно более высокая электропроводность плазмы получаемого состава при одних и тех же условиях по сравнению с органическими и твердыми ракетными топливами. Причина этого заключается в том, что
основной компонент газового потока в предлагаемой МГД-установке - практически чистый водород - обладает весьма низкими сечениями взаимодействия с электронами. Это обстоятельство, а также возможность получения температур на несколько сотен градусов выше, чем при сжигании органических топлив - позволяет получить чрезвычайно высокие значения электропроводности плазмы - до 50 и более См/м т.е. много выше таковой в МГД-генераторах открытого цикла. В связи с этим МГДГ на продуктах сжигания высокодисперсного алюминия в парах воды, как показывают расчеты, имеют сравнительно высокий коэффициент использования энтальпии - от 20 до 30%.
2
3
Совместное производство электроэнергии и водорода как вторичного топлива в предлагаемой энергосберегающей МГД-установке может быть дополнено одновременным производством оксида алюминия в его наиболее ценной форме - в виде достаточно чистого сырья для дальнейшего производства корунда, являющегося ценным продуктом для различных отраслей промышленности. При этом производимый материал в виде расплавов или тонкодиспергированных порошков чистого АlO имеет стоимость, превышающую стоимость исходного порошка дисперсного алюминия.