Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и устройство для его осуществления

 

Использование: получение электрической энергии путем преобразования тепловой энергии жидкого металла. Сущность: преобразователь, содержащий соединенные между собой вертикальные паровой и напорный трубопроводы, заполняют жидким металлом (ртутью) в таком количестве, чтобы обеспечить максимальную разность уровней жидкости в трубопроводах, поддерживаемую с помощью электромагнитного регулятора. Из трубопроводов выкачивают воздух, нагревают жидкий металл в паровом трубопроводе, а поднимающиеся пары металла охлаждаются в конденсаторе, размещенном в верхней части трубопроводов, Сконденсированный жидкий металл проходит через МГД-генератор, установленный на напорном трубопроводе, и поступает в нижнюю часть парового трубопровода. Конденсатор совмещен с паронагревателем пароводяного цикла. Горячие газы, используемые для нагрева жидкого металла , направляют в пароводяной цикл. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы. ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (и)ю Н 02 К 44/08

ГОСУДАРСТВЕ1НОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4345669/25 (22) 18.12.87 (46) 23.06.93. Бюл. ЬЬ 23 (71) Ленинградский инженерно-строительный институт (72) И.Д.Сизов и А.И.Сизов (56) Справочник машиностроителя, т. 2, Машгиз, 1960, с. 150, Патент США

t+ 310-11, hh 3375664, 1968. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: получение электрической энергии путем преобразования тепловой энергии жидкого металла. Сущность: преобразователь, содержащий соединенные между собой вертикальные паровой и

Изобретение относится к энергетике, в частности к преобразованию тепловой энергии в электрическую.

Целью изобретения является; повышение КПД преобразования тепловой энергии в электрическую; увеличение энергоотдачи массы рабочего тела (ртути); снижение максимальной температуры парометаллического цикла; стабилизация выходной электрической мощности.

Поставленная цель достигается тем, что вертикальные трубопроводы, образующие замкнутую петлю с нагревателем внизу одной трубы и конденсатором в верхней части другой трубы. заполняют жидким металлом (ртутью). Масса заливаемого жидкого металла определяется иэ условия получения при,,!Ж, 1823098 А1 напорный трубопроводы, заполняют жидким металлом (ртутью) в таком количестве, чтобы обеспечить максимальную разность уровней жидкости в трубопроводах. поддерживаемую с помощью электромагнитного регулятора. Из трубопроводов выкачивают воздух, нагревают жидкий металл в паровом трубопроводе, а поднимающиеся пары металла охлаждаются в конденсаторе, размещенном в верхней части трубопроводов, Сконденсированный жидкий металл проходит через МГД-генератор, установленный на напорном трубопроводе, и поступает в нижнюю часть парового трубопровода. Конденсатор совмещен с паронагревателем пароводяного цикла, Горячие газы, используемые для нагрева жидкого металла, направляют в пароводяной цикл. 2 с.п, ф-лы, 1 э.п. ф-лы. работе преобразователя максимальной разности высоты уровней жидкого металла в первом (паровом) и втором (напорном) трубопроводах и выражается формулой:

М = (VH + Чн)р+ (Чп + Vm)pep (1) где Чн — объем внутренней полости напорного трубопровода;

Чч — объем внутренней полости испарителя (нагревателя); р —. плотность рабочего тела (ртути);

V> — объем внутренней полости парового трубопровода

Чк — объем внутренней полости конденсатора, 0сР— средняя плотность паров ртути / рабочего тела.

1823098

После заполнения преобразователя жидким металлом из незаполненной полости выкачивают воздух до необходимого разрежения, что повышает КПД цикла и снижает его температуру. Повышение КПД обусловлено снижением удельной теплоты парообраэования при снижении давления, а потенциальная энергия столба ртути при атмосферном давлении и разрешение одинакова. КПД в этом случае выражает отношение потенциальной энергии столба жидкого металла к энергии, затраченной на испарение и подъем паров ртути на высоту этого столба.

От испарителя пары ртути поднимаются вверх, и направляют их в конденсатор, где пары конденсируются и стекают в напорный трубопровод, а тепло конденсации используется для нагревания и испарения воды пароводяного цикла. После этого водяные пары направляют в прямоточный котел, расположенный в камере, куда поступают газы, отработавшие в ртутном испарителе, Здесь водяной пар перегревается, и его направляют в паровую турбину, затем в конденсатор водяного пара, а иэ конденсатора насосом в конденсатор металлического pара, и цикл повторяется, На испарение одного кг воды

-требуется 539 ккал, а при конденсации одного кг ртутного пара выделяется 70-80 ккал тепла, Такое соотношение затрат энергии на испарение повышает КПД бинарного цикла.

На напорном трубопроводе, куда направляют конденсат ртути, установлены последовательно МГД вЂ” генераторы и регулятор высоты столба жидкого металла, который в гравитационном поле обладает потенциальной энергией, В каналах МГД-генераторов потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию потока, который пересекает магнитное поле, тормозится им и преобразуется в электроэнергию. После прохода через канал peryrpTopa ртуть с температурой, близкой к температуре кипения, направляют в испаритель, и цикл повторяется.

Мощность преобразователя определяется пароп роизводительностью испарителя и высотой столба жидкого металла в напорном трубопроводе.

Заданная высота столба жидкого металла поддерживается регулятором, который устроен по принципу МГД вЂ” генератора, но токосъемники через датчик соединены с обмотками электромагнитов. При понижении уровня жидкого металла в напорном трубопроводе повышается в паровом и замыкает датчик, Остаточный магнитный поток сердечников электромагнитов возбуждает ток, 10

15 и резко возрастает торможение потока жидкого металла, что повышает его уровень в напорном трубопроводе и понижает в паровом, Снижение уровня размыкает датчик, и выключаются электромагниты регулятора, Датчик установлен на отводе парового трубопровода, чтобы иметь спокойный уровень жидкого металла.

На фиг. 1 изображена схема устройства парометаллического преобразователя и принципиальная схема связанного с ним пароводяного цикла; на фиг. 2 показана электрическая схема регулятора уровней жидкого металла в трубопроводах.

Парометаллический преобразователь представляет замкнутую петлю трубопроводов, установленную вертикально в гравитационном поле. Петля имеет паровой трубопровод 1 с электроизолирующей

20 вставкой 2, которая исключает замыкание тока по стенкам петли. Другой трубопровод

3 является напорным, где создается столб жидкого металла высотой, равной Н. На трубопроводе 3 установлены последовательно на одинаковых расчетных расстояниях жидкостно-металлические МГД-генераторы 4, которые механическую энергию превращают в электрическую, В нижней части парового трубопровода установлен испаритель 5

30 жидкого металла. В верхней части напорного трубопровода 3 установлен конденсатор

6, где конденсируется металлический пар, и за счет тепла конденсации нагревается и испаряется вода пароводяного цикла. В нижней части напорного трубопровода 3 установлен регулятор высоты столба жидкого металла (Н), который обеспечивает стабильную мощность вырабатываемой электроэнергии, 40 Регулятор имеет устройство, подобное

МГД-генератору с замыканием вырабатываемого тока на свою обмотку электромагнитов.

На схеме фиг. 2 изображены обмотки 8

45 электромагнитов с сердечниками 9, которые имеют небольшой остаточный магнетизм.

Один конец обмотки электромагнитов подключен к одному токосъемнику 10, а другой токосъемник 10 соединен с другим концом

50 обмотки электромагнитов через датчик 11, который представляет собой два конца проводника 11 и 12, расположенных в отводе 13 парового трубопровода. Один конец проводника расположен ниже уровня жидкого металла, а другой над ним. При понижении уровня в напорном трубопроводе повышается в паровом, и жидкий металл и замыкает оба конца. Остаточный магнетизм вызывает ток, магнитное поле усиливается и тормозит поток ртути до тех пор, пока уровень в паро1823098

55 вом трубопроводе не опустится ниже верхнего конца проводника. разомкнется цепь питания электромагнитов регулятора.

Бинарный способ преобразования тепловой энергии в электрическую включает испарения жидкого металла в нагревателе 5 и подъем паров в гравитационном поле к конденсатору 6, где пары металла конденсируются, а выделяемое тепло используют для испарения воды пароводяного цикла.

Все это происходит в разреженном пространстве замкнутой петли. Конденсат паров металла заполняет напорный трубопровод и под действием гравитационного поля движения вниз, проходя с большой скоростью каналы МГД вЂ” генераторов, где кинетическая энергия потока превращается в электрическую. Чтобы исключить замыкание тока по корпусу петли в паровом трубопроводе установлена изолирующая вставка 2 из тугоплавкой керамики. В нижней части трубопровода 3 установлен регулятор, который поддерживает заданную высоту Н жидкого металла и работает от датчика, замыкаемого повышением уровня жидкого металла в паровой трубе 1. Жидкий металл замыкает концы 11 и 12, возникает ток в обмотках электромагнитов, усиливается магнитное поле, и оно тормозит поток и повышает его уровень в трубопроводе 3 и снижает в трубопроводе 1, что приводит к размыканию цепи и выключению регулятора. После регулятора поток ртути направляют в испаритель 5, и процесс повторяется.

В пароводяном цикле насыщенный пар из конденсатора металлического пара поступает в перегреватель, расположенный в камере 14, куда поступают нагретые газы, отработавшие в испарителе 5.

Перегретый пэр направляют в турбину

Щ, где тепловая энергия превращается в механическую, а она в генераторе (Г) прекращается в электрическую, Отработавший в турбине пар направляют в конденсатор (К) водяного пара, э оттуда вода насосом (Н) подается в конденсатор 6, и цикл повторяется.

Преобразование пароводяного цикла в бинарный с предложенным ртутным преобразователем значительно повысит КПД преобразования тепловой энергии в электрическую, Термический КПД бинарного выражается формулой: д —,, (2) (И 2 + 1 — 12 )

m(» р — 1, f)+(» — 1„ ) где m — кратность циркуляции ртути;

11Р— энтэльпия пэров ртути у испарителя;

1гР -- энтальпия пэров ртути у конденса тора;

» — энтальпия перегретого водяного пара;

12 — энтальпия жидкой ртути. поступающей в испаритель;

If — энтальпия насыщенного водяного пара.

Для предложенного бинарного цикла кратность (отношение теплоты испарения воды к теплоте испарения ртути) составляет

7-8, что обеспечивает значительное увеличение термического КПД бинарного цикла.

Ртутный преобразователь не имеет подвижных частей, что обеспечивает надежность и долговечность работы.

Низкая температура ртутного цикла около 1000 К не требует специальных материалов (газовые МГД вЂ” генераторы имеют температуру 3000 К).

Разрежение в полости преобразователя исключает утечки ядовитых паров ртути, Жидкостно — металлические МГД вЂ” генераторы, применяемые в преобразователе. имеют КПД на порядок выше, чем КПД газовых МГД вЂ” генераторов, применяемых для тех же целей, Разрежение в полости преобразователя повышает его термический КПД и, следовательно, КПД всего бинарного цикла.

Формула изобретения

1, Способ преобразования тепловой энергии в электрическую, включающий заполнение вертикально расположенных в гравитационном поле трубопроводов, образующих згмкнутую петлю, жидким металлом, подачу его путем нагрева в нагревателе, расположенном в нижней части петли трубопровода, к теплообменнику, расположенному в верхней части второго трубопровода, преобразование тепловой энергии в кинетическую энергию потока жидкого металла по петле трубопроводов и преобразование кинетической энергии в электрическую с помощью по крайней мере, одного МГД вЂ” генератора, установленного во втором трубопроводе, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД преобразования, повышения энергоотдачи единицы, массы рабочего тела, снижения температуры пэрометаллического цикла и стабилизации выходной мощности преобразователя, петлю трубопроводов заполняют жидким металлом, массу M которого определяют из условия получения максимальной разности уровней жидкого металла в паровом и напорном трубопроводах в соответствии с соотношением

M = (Нн + Ч )P+ (Vn+ Vff)PcP.

1823098 где Ч вЂ” объем напорного трубопровода;

Чи объем нагревателя жидкого металла; р — плотность жидкого металла при температуре кипения.

Чл — объем парового трубопровода;

Ч» — объем конденсатора паров металла в преобразователе, после чего выкачивают воздух из внутреннего объема преобразователя, не занятого жидким металлом, и осуществляют замкнутый цикл, включающий получение паров металла в нагревателе, которые поднимаются по паровому трубопроводу и конденсируются в теплообменнике, в котором тепло конденсации используют для нагрева и испарения воды пароводяного цикла, а поток сконденсированного металла пересекает магнитное поле МГД вЂ” генераторов, в которых кинетическая энергия потока преобразуется в электрическую, и магнитное поле регулятора, поддерживающего заданный уровень жидкого металла в напорном трубопроводе, а газы, используемые для нагрева ." еталла в нагревателе, направляют в контур получения электрической энергии, выполненный на основе пароводяного цикла.

2, Способ по и, 1, отл ич а ющи йс я тем, что в качестве жидкого металла используют ртуть.

3. Устройство для преобразователя теп5 ловой энергии в электрическую, включающее вертикальные трубопроводы, замкнутые в петлю с нагревателем внизу и конденсатором наверху петли, и по крайней мере один жидкостно-металлический

10 МГД-генератор, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что вертикальная петля трубопроводов выполнена в виде герметичной вакуумированной емкости, заполненной расчетным количеством жидкого металла, при этом в

15 камере за нагревателем жидкого металла размещены трубы паронагревателя водяного пара, который подается в турбину, а напорный трубопровод снабжен регулятором разности уровней жидкого металла в

20 трубопроводах, причем регулятор выполнен в виде двух электромагнитов, установленных на диаметрально противоположных сторонах трубопровода и соединенных с токосъемниками через датчики, располо25 женные в отводе парового трубопровода, один из которых расположен над уровнем жидкого металла, а второй ниже уровня жидкого металла.

1823098

12

1/

Составитель И.Сизов

Техред М.Моргентал Корректор С.Лисина

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2184 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5