Энергетические МГД-установки со сверхкритическим электропроводным рабочим телом
Привет Хабр!
Хотелось бы поделиться с уважаемым сообществом некоторыми идеями, которые уже привели к получению патента РФ на изобретение, и позволяют создать эффективную энергоустановку без механически движущихся частей.
Несколько лет назад, я увидел на YouTube видео, описывающие прибор под названием Fluidyne. По сути, это двигатель Стирлинга, в котором используется жидкий поршень, совершающий колебательные движения в процессе работы.
Такой прибор может быть реализован и в многоступенчатом варианте:
Двухступенчатый Fluidyne, нагруженный холодильником.
Первой мыслью, когда я увидел это устройство, было —
«а не прикрутить ли к ней МГД-генератор, заменив жидкость на электропроводную, например — NaK эвтектику?!»
Идея, в принципе, реализуемая –, но с рядом критических недостатков — в частности, мешает высокое внутреннее трение в жидкости, снижающее общий кпд, ограниченная рабочая частота (инерционные силы в жидком поршне, вызывающие отрыв капель), и возможность работы этой установки только в горизонтальном положении в поле силы тяжести, т. к. в противном случае возможен перелив жидкости между секциями.
Несмотря на то, что был ряд идей по улучшению такой конструкции (например, размещение жидкого поршня в частично смачиваемых капиллярах (см. рисунок) — что могло бы обеспечить работу установки в произвольном положении, в т. ч. в невесомости, эта схема не казалась мне перспективной, и пытаться патентовать её я не спешил.
частично смачиваемый капилляр
Некоторое время спустя, тут на Хабре я встретил статью (с Хабра она по неизвестным причинам пропала, но сохранилась в других источниках) о сборке многосекционного кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга, по сути — тот же Fluidyne, но без жидкого поршня, т.е. колебания возбуждаются непосредственно в рабочем теле.
Действующий образец кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга
Однако, в таком аппарате предполагалось возможность вывода полезной работы из цикла только механическим путем, например с помощью двунаправленной импульсной турбины или линейного альтернатора.
Хотя в комментариях проскакивала идея использовать ионизированный газ как рабочее тело, и применить МГД-преобразование, при этом ионизацию рабочего тела обеспечить путем размещения установки внутри ядерного реактора, являющегося заодно и источником теплоты. Неплохая идея, но сильно ограничивает спектр возможных применений)
Собственно, на данный момент, в технике есть два довольно развитых направления МГД преобразования — установки, использующие жидкие металлы (в основном, это насосы на различных литейных производствах), и установки на неравновесной плазме с легко ионизирующимися присадками (обычно на базе щелочных металлов). С жидкометаллическими МГД-генераторами основная сложность заключается в разгоне рабочего тела (что приводит к общей низкой эффективности), у плазменных установок — низкий ресурс МГД-канала (т. к. плазма штука весьма горячая и агрессивная к конструкциям), также есть некоторые сложности и с возвратом присадки в цикл.
Хотя в литературе встретился и довольно интересный вариант, где энергия колебаний газа термоакустического Стирлинга передаётся жидкометаллическому поршню, подвешенному в магнитом поле, а колебания этого поршня вызывают изменение поля в катушке, что и позволяет выводить энергию из цикла индукционным способом. Однако, это устройство, на мой взгляд, ограничено малыми мощностями (сложность обеспечения удержания левитирующего поршня, только термоакустический цикл).
Однако, зерно идеи уже запало в голову, и как-то раз пришло озарение –, а что, если использовать в качестве рабочего тела электропроводный сверхкритический флюид? Ведь сверхкритический флюид, в отличии от жидкости, сжимаем (а значит, может быть рабочим телом в термодинамическом цикле), и, в отличии от газов — может быть проводником.
Оставалось только найти подходящий вариант такого флюида. Первой мыслью было поискать что-то, растворяющееся в сверхкритической углекислоте (самый распространённый и хорошо освоенный на данный момент СКФ) , однако простых вариантов с высокой электропроводностью обнаружить не удалось.
Дальнейший поиск дал результат — оказывается, ещё в 70х годах, было обнаружено, что сверхкритические растворы щелочных металлов в аммиаке (и аминах) — сохраняют довольно высокую электропроводностью и в СКФ-состоянии. Бинго!
«Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы» «Наука», 1971 УДК 533.9.15, стр. 282
Таким образом, можно реализовать устройства прямого МГД-преобразования теплоты в электроэнергию, как на базе цикла Брайтона, так и на базе термоакустического цикла Стирлинга. В том числе, и с регенеративным теплообменником.
КПД, в данном случае, определяется потерями на внутреннее трение в рабочем теле (в СКФ они больше чем в газе, но меньше, чем жидкости), перепадом температур нагревателя (аммиак начинает распадается при 1500С, т. е. выше нагреть не выйдет) и охладителя (критическая точка аммиака около 130С и примерно 115 атмосфер), и проводимостью рабочего тела. Но, к сожалению, я не настолько дружу с физикой, что бы его посчитать :(
Надеюсь в этом вопросе на содействие сообщества)
Ниже приведены несколько возможных вариантов реализации таких установок:
Схема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона, с индукционным компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)
патенСхема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона с регенерацией теплоты, с кондукционным цетробежным МГД-компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)
Схема трехступенчатого термоакустического генератора с кондукционным МГД-генератором в одной из ступеней, объединенных общим резонатором (вид сбоку, разрез)
Есть некоторые нюансы с постепенным разложением аммиака (через образование амида натрия и его последующим разложением в горячем теплообменнике) на азот и водород, но в установках периодического действия — они, на мой взгляд, вполне решаемы охлаждением рабочего тела до докритического состояния, отводом газовой фазы, и пополнением контура жидким аммиаком.
Дальнейшее довольно тривиально — оторвать кусочек от семейного бюджета, и подать патентную заявку на способ, и отдельные варианты устройств для его осуществления.
Потом более чем полгода ожидания и переписки с Роспатентом, с доказыванием экспертизе, что это не вечный двигатель (и кто-то плохо учил физику в школе) — и патент на руках.
Первоначальный отказ в выдаче патента, с обоснованием от экспертизы:
избранные моменты из переписки с экспертизой :)
Избранные моменты переписки, ч.2 — отказ в выдаче патента
Ответы автора экспертизе:
Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.
Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.
Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.
Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.
И результат:
Мелочь, но приятно)
К сожалению, в процессе патентования в РФ, желающих профинансировать зарубежные патентные заявки не нашлось, как и собственных средств на это, так что в прочих странах — эта идея теперь доступна к практической реализации всем желающим.
То же касается и практической реализации — заинтересантов найти не удалось… Надеюсь, статья на Хабр тут может помочь)))
Автор готов к сотрудничеству с любым, кто возьмётся за практическую реализацию данной идеи, как в РФ, так и за рубежом.
Потенциальный спектр применения крайне широк — это энергетические установки с практически неограниченным ресурсом, произвольной мощности (от домашнего CHP на пару киловатт, до сотен мегаватт и более), бесшумные (кто-то подумал про подводные лодки? :)…
Возможно сопряжение с различными типами источниками теплоты (от солнечного коллектора, до топки на дровах или ядерного реактора, в т. ч. прямо внутри корпуса реактора), с возможностью использования в космосе (т. к. не требуется наличие поля силы тяжести).
В завершение, хотелось бы высказать благодарность альма-матер ЛКИ (ныне СПбГМТУ), где все же умудрились научить раздолбая студента основам термодинамики (несмотря на стойкое сопротивление) и почтить память Фасолько Оскара Юльевича, только благодаря которому я все же закончил этот прекрасный ВУЗ с квалификацией «Морской инженер».
Ссылка на патент:
Патент РФ 2806344
