Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в стационарной, транспортабельной и транспортных установках как автономно, так и в составе других энергетических установок, как с совпадающими параметрами рабочих тел, так и несовпадающими параметрами пара, причем позволяет расширить применение комбинированных установок малой, средней и большой мощности. Энергетическая установка конструктивно выполняется в виде герметичного замкнутого контура, внутри и снаружи которого размещено оборудование: валоповоротное устройство, мотор-генератор, турбокомпрессор, работающий на плазмохимических реакциях с катализатором, облучатели СВЧ, пароперегреватель, испарительно-экономайзерный участки с сепаратором и контуром многократно принудительной циркуляции на котловой воде, сепаратор по насыщенному пару соединен с пароперегревателем установки и паропроводом насыщенного пара с посторонним источником через задвижку, в случае несовпадения параметров насыщенного пара используется струйный аппарат (эжектор). Техническим результатом является повышение безопасности и эффективности получения тепловой и электрической энергий при автономном применении, а при использовании с другими энергетическими установками позволяет увеличить отдаваемую мощность потребителю при сокращении до 2-3 раз удельной себестоимости тепловой и электрической энергий. 2 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.
Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для получения тепловой и электрической энергий как автономно, так и в составе других энергетических установок - стационарных, транспортабельных и транспортных, причем позволяет расширить применение комбинированных энергетических установок средней и большой мощности не только в базовом режиме, но и в пиковых, частичных режимах, в аварийных ситуациях и диспетчерских режимах при локальном применении и в сетях.
В основу разработки энергетической установки положены теоретические разработки и экспериментальные исследования, проведенные в ИАЭ им. И.В.Курчатова отделом В.А.Легасова в 1970-1978 годах, по результатом этих работ было выпущено 8 сборников статей, по материалам которых и проведены разработки.
В основу процессов, происходящих в замкнутом контуре, положены реакции в смеси углекислого газа и водяного пара при давлении около 2,0 МПа и облучении сверхвысокочастотным (СВЧ) радиополем (ориентировочная частота около 2200 МГц). При указанных частотах сечения поглощения радиоизлучения углекислым газом превышают примерно в 200 раз сечения поглощения остальных элементов смеси в потоке газа. Это приводит к тому, что в смеси потока происходит разложение углекислого газа при затратах энергии 2,89 эВ/мол. с образованием неравновесных реакций: CO2≥CO+1/2O2+Q=2,89 эВ/мол., далее в смеси облученных углекислого газа и водяного пара идет более 20 неравновесных реакций без затрат энергии, но основной реакцией является CO+H2O→CO2+H2, причем эффективность образование H2 и O2 зависит от соотношения частей ионизированных и неионизированных газов.
Однако в первой реакции образуется O2, а во второй реакции образуется H2, допустимо ли это, так как при нормальных условиях предельные концентрации водорода в кислороде минимальная 4,5%, а максимальная до 95% приводят к цепным реакциям - взрыву. Из многочисленных источников известно значения температур воспламенения и пределы взрываемости некоторых газов в статической смеси с воздухом или кислородом при атмосферном давлении. Эксперименты показали, что в статических условиях при нормальном давлении (привожу часть таблицы «Температура воспламенения и пределы взрываемости некоторых газов в смеси с воздухом или кислородом») следует ожидать:
| Наименование | Температура воспламенения, °C | Пределы взрываемости газа, % по объему | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| - | с воздухом | с кислородом | с воздухом | с кислородом |
| Водород | 350-590 | 450-590 | 4,1-75 | 4,5-95 |
| Окись углерода | 610-658 | 590-658 | 12,5-75 | 13-95 |
| (Для сравнения) Ацетилен | 335-440 | 350-440 | 1,95-82 | 2,8-93 |
При наличии в смеси газов после облучения разбавителей (углекислый газ) и ингибиторов (водяной пар) при повышенном давлении нижний предел взрываемости водорода в кислороде ожидается не ниже 60-65% по объему.
В нашем случае при замкнутом контуре и повышенном давлении смеси не достигаются указанные пределы, так как водяной пар и углекислый газ являются разбавителями, а водяной пар является дополнительно еще и ингибитором. Установка пожаро- и взрывобезопасна.
Экспериментально установлено, что ионизированная смесь углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении и температурах смеси потока газов ~350-400°C относительно медленно окисляется. При скорости потока смеси около 30-40 м/с по контуру влияние спонтанного окисления на характеристику состава потока незначительно.
Для того чтобы провести реакцию окисления водорода в потоке, приходится прибегать к катализатору, которым может быть платина или палладий, нанесенному на внешнюю поверхность тепловых электрических нагревателей (ТЭНов). На поверхности ТЭНов образуется каталитическая зона окисления водорода кислородом в виде беспламенного горения, сдуваемая потоком смеси газов. Теоретически можно получить температуру по верхнему пределу около 6500°C, но в данной конструкции этого не требуется и, исходя из стойкости и прочности материалов конструкции, необходимо ограничиться температурным пределом до 650-700°C, то есть при степени ионизации потока около 8-12% по объему.
Вторым важным внутренним свойством замкнутого контура является образование в результате реакций конверсии более 20 неравновесных реакций с получением в потоке смеси углекислого газа и водяного пара электронов и ионов. При отношении ионизированных элементов к неионизированным в потоке смеси газов за камерой облучения и катализаторами около 10% смесь приобретает свойства сверхпроводимой плазмы, причем концентрации водорода и кислорода лежат до допустимых пределах по пожаро- и взрывобезопасности. Причем плазма относительно медленно окисляется. Это свойство плазмы использовано в данной разработке.
Одновременно возникает вопрос: «Возможна ли работа такой установки, не скрыт ли в разработке «вечный двигатель»? Анализ процессов при работе установки показал, что в замкнутом контуре затрачивается энергия: на компрессию потока - на турбокомпрессор с коэффициентом полезного действия (КПД) около 0,8, на работу оборудования камеры облучения с КПД 0,9-0,8, на подогрев катализаторов ТЭНов до 350-380°C, далее это тепло отдается потоку смеси газов в МГДГ для создания магнитного потока в сопловых щелях и разгона плазмы до звуковых скоростей, КПД ожидается не хуже 0,85 из-за использования в магнитах керамики с высокой относительной магнитной проницаемостью около 900000-950000 и обмоток магнитов из труб, по которым протекает плазма, близкая к сверхпроводимости. Суммарное энерговыделение за соплами МГДГ воспринимается испарительно-экономайзерным участками для подогрева до насыщения котловой воды и получения насыщенного пара, поступающего в сепаратор и к пароперегревателю, в который может быть подан пар от постороннего источника. КПД эл. МГДГ около 0,6-0,65, а в целом КПД эл. установки около 0,5-0,55. Энергия берется за счет дефекта массы водорода воды (пара) (см. табл.):
| Теплота сгорания некоторых горючих газов | часть таблицы 160 | ||||
| Наименование | Плотность, кг/м3 | Высшая | Низшая | ||
| кДж/кг | кДж/м3 | кДж/кг | кДж/м3 | ||
| Водород | 0,08989 | 142083 | 12778 | 119562 | 10760 |
| Окись углерода | 1,250 | 10161 | 12703 | - | - |
| Ацетилен | 0,65 | 49882 | 58197 | 48144 | 56103 (для сравнения) |
Для определения характеристик МГДГ использовались расчетные методы:
Термодинамики:
1. Критическая скорость звука в сопловой щели рассчитывалась по следующим формулам: V*=a02/k+1=(2gk/k+1)*P0*v0 [м/с];
2. Давление, при котором достигается критическая скорость в горле сопловой щели:
E*=Pi/P0=(2/k+1)k/k-1.
Ожидаемая критическая скорость плазмы в горле сопловой щели при параметрах потока: tсм=350-400°C; P0=(5,5-6,0) МПа; v0=0,0405 м3/кг; к~1,3; V*=530-550 м/с, а степень сжатия в компрессоре e*=~2,5-3,5.
Для повышения КПД электрического МГДГ на холодной плазме необходимо использовать магнитные цепи из керамики с относительной магнитной проницаемостью не хуже 900000-950000, а в обмотках электромагнитов использовать изолированные снаружи медные трубы, по которым пропускать малую часть сверхпроводимой плазмы для охлаждения сердечников магнитов и получения токов в обмотках электромагнитов около 100000 A, при этом магнитный поток в сопловой щели составит не менее (30-100)*103 Вб (В*с). Значение снимаемого постоянного тока с сопел около 10000 A и напряжением до 1 кВ. Некоторые сложности ожидаются с использованием в «роторе» обмотки «беличья клетка», так как в зафиксированном «роторе» ожидаются токи короткого замыкания, которые без экспериментальных данных авторы не смогли определить расчетным анализом. Следует добавить, что электрические и магнитные характеристики МГДГ необходимо определять в системе СИ, так как в настоящее время в справочниках и справочных таблицах присутствует некоторая путаница в данных - до пяти систем размерности магнитных и электрических величин. Поставленная задача получения тепла и электрической энергии за счет плазмохимических реакций решается установкой, выполненной согласно предложенной конструкции.
Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором (МГДГ) на холодной плазме, включает в конструкцию: замкнутый циркуляционный контур, заполненный смесью углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении, конструктивно выполняется из двух параллельных труб, соединенных по торцам Г-образными коленами. Снаружи и внутри контура размещено следующее оборудование: валоповоротное устройство, электрический мотор-генератор, компрессор, за которым установлен неподвижный защитный блок сопел Вентури, и газопаровая турбина, соединенные одним валом. В промежутке между блоком сопел Вентури и направляющим аппаратом газопаровой турбины, снаружи контура установлен сверхвысокочастотный (СВЧ) генератор радиоволн, которые направляются через никелевую диафрагму в контур по цилиндрическому волноводу, причем диафрагма должна быть разогрета до 340-360°C потоком СВЧ или подогревателем, в этом случае никелевая диафрагма переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное состояние, прозрачное для радиоволн. Внутри контура располагается следующее оборудования: центробежный осевой компрессор, защитный блок сопел Вентури, диафрагмы в камере облучения СВЧ, катализатор-активатор (дожигатель водорода и кислорода из смеси газов), диафрагмы и рабочие колеса парогазовой турбины, работающей на смеси водяного пара и углекислого газа, что допустимо, так как скорости звука при указанных выше параметрах совпадают. Далее установлен пароперегреватель, конструктивно выполненный из пучков гладких трубок, объединенных входными и выходными коллекторами, за пароперегревателем установлены дополнительные камера облучения с волноводами и диафрагмами и катализатор-активатор. Блоки МГДГ, выделенные в особую группу, состоящую из нескольких цилиндрических корпусов, каждый корпус представляет собой аналог асинхронного двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора типа «беличьего колеса», но закрепленного от перемещения и проворачивания, в зазорах между статором и ротором установлено несколько щелевых сопел. В нашем случае каждый МГДГ имеет по несколько щелевых сопел, каждое сопло имеет постоянную высоту (высота зазора между статором и «ротором») и диффузор, конструктивно выполненный в виде прямоугольной трапеции, которая частично огибает статор и «ротор» и плоскими стенками опирается на них, боковые стороны трапеции конструктивно выполнены в виде гребенки с зубьями параллельно боковой стороне трапеции для уменьшения контактного сопротивления между боковой стороной сопла - съемной шиной и плазмой и являются съемниками постоянного тока, которые могут быть включены как последовательно, так и параллельно у каждого МГДГ и в группе.
Через все трубчатые обмотки электромагнитов проходит для создания сверхпроводимого электрического проводника и охлаждения магнитных цепей статора и «ротора» незначительная часть потока плазмы.
«Ротор» закреплен и неподвижен, такая конструкция сопла и сопряжения с электромагнитами «ротора» и статора позволяют использовать повышенные давления смеси газов в герметичном контуре и сократить до минимума магнитные потери в МГДГ. В соплах происходит снижение давления и температуры парогазовой смеси, но одновременно происходит энерговыделение в щели сопла и трубчатых обмотках электромагнитов статора и «ротора» за счет магнитного потока, выделенное тепло от которых отводится локальными и общим потоком плазмы. Для того чтобы использовать тепло потока парогазовой смеси за МГДГ, установлен испарительно-экономайзерный участок, который позволяет использовать тепло для получения насыщенного пара из питательной воды, снижая и стабилизируя температуру парогазового потока перед входом в компрессор.
Для того чтобы сохранить постоянную температуру парогазовой смеси перед входом в компрессор, используем контур котловой воды с многократно принудительной циркуляцией, который позволяет поддерживать постоянную температуру парогазовой смеси перед компрессором, но и позволяет работать замкнутому контуру в переменных режимах в пределах от 10 до 100% номинальной мощности.
Дополнительно в трубопровод насыщенного пара в районе сепаратора через паровую задвижку подсоединяется паропровод насыщенного пара от постороннего источника с примерно одинаковыми параметрами пара, если параметры пара отличаются в этих установках, то необходимо нивелировать давление между ними через смесительный струйный аппарат, причем среда с более высокими температурой и давлением должна быть эжектирующей, а среда с меньшими параметрами эжектируемой.
Для создания необходимого перепада давления на соплах МГДГ, циркулирующей смеси газов в различных режимах, в циркуляционный контур установлен кран сферический запорно-регулирующий параллельно блоку МГДГ, кран сферический необходим в следующих случаях: поток газопаровой смеси полностью проходит через МГДГ или при отсутствии необходимости использования МГДГ частично, при необходимости регулирования количества отдаваемого тепла и регулирования подаваемой электрической мощности постоянного тока для собственных нужд и отдаваемой энергии в сеть.
Аналогом могут служить Патенты на изобретение RU: №2291228,С2, МПК: C25B 1/02 «Реактор для получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизными методами», опубликовано 10.01.2007. Бюл. №1. И Патент на изобретение RU №2286402, С1, МПК: C25B 1/10; C01B 3/04 и 13/02 «Система получения водорода и кислорода плазмохимическим и электролизным методами», опубликовано 27.10. 2006. Бюл. №30. Аналог рассчитан на стационарное расположение и применение оборудования, в нашем случае энергетическую установку можно использовать как в стационарном, транспортабельном, так и в транспортном применении, но процессы внутри контура, условия пожаро- и взрывобезопасности сохраняются и в транспортном исполнении.
Прототипом служит Заявка на изобретение RU регистрационный №2009148418, С1, МПК: F22G 1/04; C25 1/02; C25B 1/10; C01B 3/04 и 13/02: «Энергетическая установка для выработки тепла плазмохимическими реакциями с дожиганием», поступила на регистрацию 28.12.2009. Входящий №071514. В части использования замкнутого контура и частично оборудования, так как в настоящем предлагаемом изобретении энергетическая установка служит для получения тепла и электроэнергии и отличается конструктивно по составу оборудования.
Отличительной особенностью предлагаемого изобретения от прототипа является выработка электроэнергии МГДГ - статической установкой получения электроэнергии постоянного тока, которую можно использовать для питания собственных нужд и отдавать во внешнюю сеть. Эффективность получения электроэнергии постоянного тока - КПД эл. не хуже 0,60-0,65, что значительно выше КПД турбинных электрогенераторов и тем более аккумуляторных батарей как кислотных, так и щелочных. Следует отметить, что уровень мощности (в разумных пределах) и время подачи электроэнергии на собственные нужды и в сеть не ограничены одновременно с подачей потребителю тепла.
Схема и конструкция узлов «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме» представлена чертежами:
Фиг.1. Общая схема энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме. Горизонтальное сечение.
Фиг.2. Зависимость электропроводности смеси газов от степени ионизации.
Фиг.3. Общий вид крана сферического запорно-регулирующего. Разрез.
Фиг.4. Общий вид МГДГ. Разрез.
На фиг.1 представлено горизонтальное сечение «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме», где представлено необходимое оборудование для работы установки, за исключением систем: автоматического регулирования и управления, продувки-подпитки, систем аварийного вывода установки. Основу установки составляет циркуляционный контур, конструктивно выполненный из двух параллельных труб 1, по торцам герметично соединенных Г-образными коленами 2, 3, 4. Снаружи труб 1 установлены валоповоротное устройство 5, электрический мотор-генератор 6; внутри труб 1 установлены кожух 7 и вал 8 турбокомпрессора, компрессор 9, защитная плита 10 с блоком сопел Вентури, снаружи трубы 1 установлен генератор 11 СВЧ, волновод которого отделен от трубы 1 диафрагмой, пучок радиоволн от генератора 11 направлен в камеру 12 облучения газопаровой смеси по цилиндрическому волноводу через диафрагму. За камерой 12 установлен катализатор-активатор 13, служащий для дожигания смеси водорода и окиси углерода в кислороде с получением перегретого водяного пара и углекислого газа. Далее установлены блок диафрагм и рабочих колес газопаровой турбины 14. Для снижения и регулирования температуры парогазовой смеси за турбиной установлены входной коллектор 15, секции пароперегревателей 16 и 17, установленных противотоком и выполненных из гладких пучков труб, это связано с тем, что коэффициенты теплоотдачи внутри и снаружи труб близки по значениям, и на выходе коллектор 18. За блоком пароперегревателей 16 и 17 установлена вторая камера 19 облучения с генератором 20 СВЧ, волноводами и диафрагмами, за ними установлены катализатор-активатор 21 и кран 22 сферический запорно-регулирующий, в параллель крану 22 установлено несколько МГДГ 27. Эта схема установки МГДГ 27 позволяет работать автономно или в параллель с краном 22 на частичных режимах мощности. Каждый МГДГ 27 при неисправности может быть отключен от контура 1 задвижками 42 и 43 с электроприводами. Отработанная газопаровая смесь за задвижками 43 и краном 22 поступает на блок теплообменников: испарительный 44 и экономайзерный 45, которые установлены по противоточной схеме, конструктивно выполненные из пучков оребренных трубок с коэффициентом оребрения не ниже 15-20, так как этому значению соответствует отношение коэффициентов теплоотдачи внутри и с внешней стороны трубок, собранных во входном коллекторе 46 и выходном коллекторе 47. Схема циркуляции котловой воды собрана по многократно принудительной циркуляции (МПЦ): из сепаратора 48 котловая вода насосом 49 МПЦ подается в коллектор 46, проходит по экономайзерному участку 45, проходит испарительный участок 44, попадает в коллектор 47 и сепаратор 48, из которого насыщенный пар по трубопроводу 50 попадает в коллектор 15 пароперегревателей 16, 17, 18. Дополнительно предусмотрен трубопровод 51 с задвижкой запорно-регулирующей и смесительным струйным аппаратом для подачи насыщенного пара от постороннего источника. Контур МПЦ необходим по следующим причинам: учитывая, что в контуре 1 циркулирует газопаровая смесь и чтобы избежать точек росы на ступенях компрессора, температура смеси должна быть не ниже 290-300°C, мало того, компрессор должен быть рассчитан на такую входную температуру газопаровой смеси. При отклонениях входной температуры от заданной компрессор будет работать не в проектном режиме: высокие КПД и безаварийная работа компрессора не гарантирована.
На фиг.2 показана зависимость электропроводности газопаровой смеси в зависимости от степени ионизации, причем степень ионизации дана в % в логарифмическом масштабе, а электропроводность газопаровой смеси в линейных %. Из графика видно, что при степени ионизации 0,01% электропроводность от сверхпроводимости составляет 10%, при 0,1%-40%, при 1,0%-80%, при 10% ионизации электропроводность от сверхпроводимости составляет 98-99% - фактически плазма становится сверхпроводящей. Это справедливо для нашей конструкции.
На фиг.3 показана схематическая конструкция крана шарового запорно-регулирующего и сопряжение крана 22 с трубой 1. Конструктивно кран 22 выполнен сферической формы (подобная конструкция используется в нефтегазовой промышленности при высоких давлениях и больших сечениях трубопровода (до 5,0 м диаметром) и выпускался (выпускается) Пермским заводом нефтегазовой арматуры), соответственно пробка 23 крана 22 выполнена также сферической с фигурным вырезом для пропуска среды. Фигурный вырез необходим для регулирования расхода газопаровой смеси при высоком давлении в контуре. Пробка 23 крана 28 снабжена электроприводом 24, редуктором 25, грундбуксой 26.
На фиг.4 показана схематическая конструкция блока МГДГ 27 и его сопряжение с трубой 1, где блок МГДГ 27, кожух 28 статора, обмотка 29 трубчатая электромагнита статора, клемма 30 обмотки статора, соединенная с трубчатой обмоткой 29, клемма 31 сопла, кожух 32 изолятора клеммы 30, забор 33 плазмы обмоткой 29, сброс 34 отработанной плазмы обмоткой 29, колено 35 Г-образное напорное МГДГ 27, колено 36 Г-образное сбросное МГДГ 27, сопло 37 (несколько штук), расширяющееся с постоянной высотой щели (зазором между поверхностями электромагнитов статора и «ротора»), «ротор» 38 керамический с короткозамкнутыми трубчатыми обмотками типа «беличье колесо», который закреплен от проворачивания и осевого смещения, зазор 39 (высота) сопла, обмотка 40 «ротора» типа «беличье колесо», которая может быть изготовлена из стали и с протоком через них плазмы, сердечник 41 керамический электромагнита статора, задвижка 42 входная запорная с электроприводом, задвижка 43 выходная запорная с электроприводом.
«Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме», может работать в следующих режимах:
1. Режим холодного хранения
Состояние циркуляционного контура: давление снято, смесь газов разделена в холодильнике, вода подана на хранение в танки, углекислый газ осушен и подан на хранение в ресивер. Электропитание от оборудования контура отведено, клеммы отсоединены от сети, покрыты смазкой и изолированы от внешних воздействий и атмосферных осадков. Кроме валоповоротного 5 устройства электрическая схема которого собрана по временной подаче тока и вал периодически проворачивается. Трубопроводы отсоединены и заглушены, все внутренние полости отвакуумированы и заполнены инертным газом. На оборудовании, где трудно добиться плотности поместить емкости с селикогелем, в этом случае необходимо вести периодический контроль за состоянием внутренних поверхностей и селикогелем.
2. Режим горячего ожидания
Установка полностью собрана и укомплектована, подается насыщенный пар от постороннего источника по трубопроводу 51 в экономайзерно-испарительный участок 48, 49, 46; 45, 44, 47, 48, включен МПЦ 49, работает на малых оборотах компрессор 9 от мотор-генератора 6, турбина 14 проворачивается от мотор-генератора 6, прогреваются генератор СВЧ 11 и катализаторы-активаторы 13, подается от сепаратора 48 насыщенный пар по трубопроводу 50 в коллектор 15, трубные пучки 16 и 17 и коллектор 18, из которого конденсат сбрасывается на химическую водоочистку и в танки хранения конденсата. Включен и прогревается генератор СВЧ 20 с диафрагмами и волноводами, камера 19 облучения прогревается за счет минимальной циркуляции потока смеси газов, катализатор-активатор 21 включен на прогрев, кран 22 открыт на минимальный расход смеси газов и прогревается, задвижки 42 и 43 открыты и блоки МГДГ 27 прогреваются за счет потока смеси газов, по мере подъема температуры смеси газов и давления в циркуляционном контуре до номинала (2,0 МПа), увеличивают обороты компрессора 9, в начале за счет мотор-генератора 6, а потом принимает нагрузку турбина 14, в начале на холостых оборотах, а потом принимает нагрузку от компрессора 9 и мотор-генератора 6. После прогрева и пробных пусков МГДГ 27 включают их в работу, подавая электропитание на электромагниты статора и снимая электрическую энергию постоянного тока с внешних клемм 31, соединенных с токосъемными шинами сопла 37, с подачей постоянного тока на собственные нужды и к внешним потребителям (без конвертации и с конвертацией в переменный ток).
3. Режим работы установки для получения электрической энергии
Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газовая турбина 14,компрессор 9, мотор-генератор 6,генератор 11 СВЧ, катализатор-активатор 13, пароперегреватели 15, 16, 17, 18, работает генератор 20 СВЧ, камера 19 облучения потока смеси газа, катализатор-активатор 21, кран 22 прикрыт до минимально контролируемого расхода газопаровой смеси. МГДГ 27 работают на полную мощность, сбрасывая перегретую смесь газов после себя через задвижки 43 на систему испарительно-экономайзерного участка МПЦ 44, 45, 46, 49, 47, 48 для охлаждения газопаровой смеси. Полученный насыщенный пар по паропроводу 50 поступает на пароперегреватели 15, 16, 17 и коллектор 18, от которого пар подается внешнему потребителю. Дополнительно насыщенный пар можно сбрасывать по паропроводу 51 к внешнему потребителю. При работе на получение электрической, тепловой мощности или комбинированно, в любом случае необходимо подавать с контролируемым расходом насыщенный пар на пароперегреватели 15, 16, 17 и 18, так как позволяет регулировать и контролировать температуру смеси газов за турбиной 14 и перед входом в камеру облучения 19 с катализатором-активатором 21 и соответственно на входе перед задвижками 42 в МГДГ 27.
4. Режим работы установки для получения тепловой энергии
Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газовая турбина 14 и на одном валу 8 установленные с ней компрессор 9, мотор-генератор 6. Работают генератор 11 СВЧ, камера облучения газопаровой смеси 12, катализатор-активатор 13, пароперегреватели 15, 16, 17, 18. Не работают генератор 20 СВЧ, камера облучения 19, катализатор-активатор 21, МГДГ 27, задвижки 42 и 43 закрыты. Кран 22 открыт полностью и газопаровая смесь поступает на испарительно-экономайзерный участок для охлаждения циркулирующей водой по контуру МПЦ 48, 49, 46, 45, 46, 47 и 48, из которого насыщенный пар поступает в трубопровод 50 насыщенного пара и далее в пароперегреватели 15, 16, 17 и 18 к внешним потребителям.
5. Режим работы установки для получения тепла и электрической энергии за счет плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме.
Установка полностью собрана и укомплектована, прогрета, в работе газопаровая турбина 14 и на одном валу 8 установленные с ней компрессор 9, мотор-генератор 6. Работают генератор 11 СВЧ, камера 12 облучения газопаровой смеси, катализатор-активатор 13, пароперегреватель: коллектор 15, секции пароперегревателя из гладкотрубных пучков 16 и 17 и выходной коллектор 18, соединенный с паропроводом перегретого пара внешних потребителей. Работают генератор 20 СВЧ, камера 19 облучения газопаровой смеси, катализатор-активатор 21, открыты задвижки 42 и 43, подано электропитание на электромагниты статора 41, через трубчатые обмотки 29 статора и обмотки «беличьего колеса» «ротора» за счет перепада давления на соплах 37 протекает плазма, охлаждая их и одновременно являясь сверхпроводником. Дня уменьшения энерговыделения в теле магнитов используется не проводящая ток керамика: на магнитопроводе 41 статора и магнитопроводе 38 «ротора».
На блоки МГДГ подается через клеммы 30 электропитание статора, а с клемм 31, соединенных с шинами сопла 37, снимается электропитание постоянного тока для собственных нужд и внешних потребителей. Отработанная газопаровая смесь за соплами 37 поступает в колено 36 через задвижку 43 на испарительно-экономайзерные участки 44 и 45, выполненные из пучков оребренных труб с замыкающими коллекторами 46 и 47, между которыми установлены насос МПЦ 49 и сепаратор 48. Этот контур заполнен котловой водой, которая циркулирует за счет работы МПЦ 49 по испарительно-экономайзерному участку и за счет тепла газопаровой смеси вырабатывается насыщенный пар, далее поступающий в пароперегреватель и к внешнему потребителю.
6. Комбинированная работа «Энергетической установки, вырабатывающей тепло и электрическую энергию посредством плазмохимических реакций с МГДГ на холодной плазме», возможна с другими энергетическими установками, такими как ядерные энергетические установки для производства пара и электроэнергии. Это возможно, так как в энергетической установке уровень температур газопаровой смеси в контуре циркуляции может быть в пределах 400-700°C, а мощность и соответствующее оборудование выбирается по техническому заданию. Следует отметить, что только перегрев насыщенного пара, получаемого в ядерной паропроизводящей установке (ЯППУ) с реакторами водо-водяного типа, может увеличить отдаваемую потребителю мощность в 1,7-1,8 раза без изменения параметров ЯППУ.
Технико-экономическое обоснование «Энергетической установки»:
1. «Энергетическая установка» в виде замкнутого контура вырабатывает тепло и электрическую энергию за счет плазмохимических реакций в смеси углекислого газа и водяного пара. Для работы установки не требуется постоянной подачи пропорционально установленной мощности органического топлива, подачи атмосферного воздуха и сброса в окружающую среду отработанных газов (дымовых газов).
2. Установка экологически чистая, за исключением зон генератора СВЧ и МГДГ, где возможно будет наблюдаться слабое ионизирующее излучение, обусловленное физическими процессами внутри этого оборудования. Радиационная защита легкая экранирующая может быть из стального листа или тонких бетонных плит и организационная, так как эти зоны не обслуживаемые.
3. Ожидаемый коэффициент полезного действия электрический МГДГ не хуже 60-65%, что в два раза выше, чем у энергетической установки с реактором ВВЭР-1000. Ожидаемый коэффициент полезного действия (электрический) турбогенератора, работающего на перегретом паре, ожидается не хуже 50-55%, что в 1,8 раза выше, чем у энергетической установки с реактором ВВЭР-1000.
4. Капитальные затраты «Энергетической установки» не более 20% от капитальных затрат по машинному залу (без турбогенератора), текущие затраты около 1% от текущих затрат по машинному залу энергетической установки с ВВЭР-1000.
5. «Энергетическая установка» может работать автономно и при накоплении достаточного опыта заменить пусковую котельную атомных электрических станций.
6. «Энергетическая установка» может работать совместно с ядерными энергетическими установками различной мощности и назначения. В итоге использования комбинированных установок: в пределе можем получить увеличение КПД, периода между перегрузками ядерного топлива до 2-3 раз с экономией ядерного топлива, снижением удельной стоимости электроэнергии и тепла не менее чем в два раза.
7. В комбинации с «Энергетической установкой» могут работать реакторные установки типа: АЭС с реакторами ВВЭР-1000, АЭС с реакторами РБМК-1000,1500 при замене турбогенераторов насыщенного пара на турбогенераторы перегретого пара - эффективность см. п.6.
8. В комбинации с «Энергетической установкой» соответствующей мощности могут работать и должны АТЭЦ с реакторами ВБЭР-100, 150, 200, 250, 300, 335, 420, а также плавучие АТЭС ММ, в которых можно ограничиться одним реактором при той же мощности и без снижения надежности, но при снижении капитальных и топливных затрат и удельной себестоимости электроэнергии и тепла не менее чем в два раза.
9. В комбинации с «Энергетической установкой» могут быть использованы транспортабельные и транспортные энергетические установки различного назначения, включая локомотивные, судовые, корабельные, аварийные, околоземные станции и для межпланетных перелетов, где «Энергетическая установка» используется как источник тепла и электроэнергии для собственных нужд корабля и обеспечения энергией движителя.
1. Энергетическая установка, вырабатывающая тепло и электроэнергию посредством плазмохимических реакций с магнитно-гидродинамическим генератором на холодной плазме включает в конструкцию:
- замкнутый герметичный циркуляционный контур, заполненный смесью углекислого газа и водяного пара при повышенном давлении, конструктивно выполненный из двух параллельных труб, соединенных по торцам Г-образными коленами;
- снаружи и внутри контура размещено следующее оборудование: валоповоротное устройство, электрический мотор-генератор, компрессор, за которым установлен неподвижный защитный блок сопел Вентури с проходкой для кожуха и вала, соединенного с газопаровой турбиной;
- между защитным блоком сопел Вентури и турбиной расположены камера облучения газовой смеси полем сверхвысокочастотного (СВЧ) радиооблучения с генератором, разделительными металлическими диафрагмами, имеющими парамагнитные характеристики, цилиндрическими волноводами и отражателями СВЧ, за которыми установлен каталитический активатор, конструктивно выполненный как тепловой электронагреватель (ТЭН), наружная поверхность которого покрыта тонким слоем катализатора (любым стойким методом) платины (Pt) или палладия (Pd);
- далее установлены диафрагма, рабочие колеса турбины с диафрагмами и выходная спрямляющая поток газопаровой смеси диафрагма;
после рабочих колес газопаровой турбины и диафрагмы установлены: секции пароперегревателя, конструктивно выполнены из пучков гладких труб, объединенных распределяющими входными и собирающими выходными коллекторами;
- за входным распределяющим коллектором пароперегревателя снаружи контура установлен генератор СВЧ, а внутри контура - камера облучения газопарового потока полем СВЧ, передаваемого во внутреннюю полость контура волноводами и металлической диафрагмой, имеющей парамагнитные характеристики, поле СВЧ излучения направлено внутрь камеры облучения газопаровой смеси, а в самой камере облучения установлены отражатели СВЧ, имеющие высокий коэффициент альбедо;
- за камерой облучения установлены параллельно блоки цилиндрических магнитно-гидродинамических электрических генераторов (МГДГ), конструктивно выполненных аналогично асинхронным двигателям, но с зафиксированным ротором с обмоткой «беличье колесо», выполненной из труб, через которые протекает сверхпроводящая плазма, охлаждая «ротор», который зафиксирован от осевого перемещения и проворачивания, между статором и зафиксированным «ротором» установлено несколько щелевых расширяющихся сопел с постоянной высотой щели, конструктивно выполненных как трапеция, плоской поверхностью опирающихся на поверхности магнитов статора и «ротора», магниты выполнены из керамики с относительной магнитной проницаемостью ~900000-950000, причем боковые стенки сопел являются токосъемными шинами, выполненными в виде гребенки для увеличения контактной поверхности и снижения сопротивления между потоком в сопле и токосъемниками;
- параллельно МГДГ установлен кран сферический запорно-регулирующий на 0,5-0,8 проходного сечения труб контура, на одной из которых он установлен, за этим оборудованием установлены доохладители газопаровой смеси - парогенератор насыщенного пара, имеющий экономайзерно-испарительный участки, выполненные из пучков оребренных труб, объединенных коллекторами - входным распределяющим и выходным собирающим, коллектор экономайзерно-испарительного участков соединен с системой многократно-принудительной циркуляции (МПЦ) и конденсатно-питательной системой через сепаратор пара и насос МПЦ, а выходной коллектор посредством паропровода с сепаратором, пар из которого поступает во входной коллектор пароперегревателя, паропровод имеет дополнительный штуцер с задвижкой, который позволяет подавать насыщенный пар от постороннего источника на сепаратор и пароперегреватель с повышенным расходом и пониженной температурой перегрева пара, при различных параметрах насыщенного пара установки и постороннего источника необходимо использовать струйный (эжектор) аппарат для выравнивания параметров и общие параметры использовать для подачи в пароперегреватель.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она пожаро- и взрывобезопасна и может работать стационарно, в транспортабельных системах и в транспортных установках автономно или в комбинации с другими энергетическими установками, не требуя постоянной подпитки углекислым газом и водяным паром, только периодическая подпитка при снижении давления в контуре, после анализа газопаровой смеси; поэтому не сбрасывает в окружающую среду продуктов горения и не требует для поддержания процесса энерговыделения кислорода из окружающего воздуха, причем, за исключением валоповоротного устройства, мотор-генератора и турбокомпрессора, все остальное оборудование статическое с большим сроком службы.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что в районе оборудования генератора СВЧ и МГДГ будет наблюдаться радиоактивное излучение малых энергий и интенсивности, обусловленное физическими процессами, протекающими в указанном оборудовании.
