Способ преобразования тепловой энергии в электрическую и устройство для его осуществления

(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 в частности к преобраэова й 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 А 1 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, ф используемые для нагрева жидкого металла, направляют в пароводяной цикл. 2 с.п, ф-лы, 1 э.п. ф-лы,работе преобразователя максимальнности высоты уровней жидкого метпервом (паровом) и втором (напорнобопроводах и выражается формулой:М = (Чн + Чн) Р+ (Чп + Чк) рс ргде Чн - объем внутренней полостиного трубопровода;Чи -объем внутренней полости ителя (нагревателя);р - . плотность рабочего тела (ртутЧ - объем внутренней полости иго трубопроводаЧк - объем внутренней полости к плотность паров ртути /После заполнения преобразователяжидким металлом из незаполненной полости выкачивают воздух до необходимогоразрежения, что повышает КПД цикла и снижает его температуру. Повышение КПДобусловлено снижением удельной теплотыпарообраэования при снижении давления,а потенциальная энергия столба ртути приатмосферном давлении и разрешение одинакова. КПД в этом случае выражает отношение потенциальной энергии столбажидкого металла к энергии, затраченной наиспарение и подьем паров ртути на высотуэтого столба.Отиспарителя пары ртути поднимаютсявверх, и направляют их в конденсатор, гдепары конденсируются и стекают в напорныйтрубопровод, а тепло конденсации используется для нагревания и испарения водыпароводяного цикла. После этого водяныепары направляют в прямоточный котел, расположенный в камере, куда поступают газы,отработавшие в ртутном испарителе, Здесьводяной пар перегревается, и его направляют в паровую турбину, затем в конденсаторводяного пара, а иэ конденсатора насосомв конденсатор металлического пара, и циклповторяется, На испарение одного кг воды.требуется 539 ккал, а при конденсации одного кг ртутного пара выделяется 70-80 ккалтепла, Такое соотношение затрат энергиина испарение повышает КПД бинарногоцикла,На напорном трубопроводе, куда направляют конденсат ртути, установлены последовательно МГД - генераторы ирегулятор высоты столба жидкого металла,который в гравитационном поле обладаетпотенциальной энергией,В каналах МГД-генераторов потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию потока, который пересекаетмагнитное поле, тормозится им и преобразуется в электроэнергию. После прохода через канал регуюртора ртуть с температурой,близкой к температуре кипения, направляют в испаритель, и цикл повторяется.Мощность преобразователя определяется пароп роизводительностью испарителяи высотой столба жидкого металла в напорном трубопроводе.Заданная высота столба жидкого металла поддерживается регулятором, которыйустроен по принципу МГД - генератора, нотокосъемники через датчик соединены с обмотками электромагнитов. При пониженииуровня жидкого металла в напорном трубопроводе повышается в паровом и замыкаетдатчик, 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 уровеньжидкого 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 паровойтрубопровод 1 с электроизолирующей20 вставкой 2, которая исключает замыканиетока по стенкам петли. Другой трубопровод3 является напорным, где создается столбжидкого металла высотой, равной Н. На трубопроводе 3 установлены последовательно25 на одинаковых расчетных расстояниях жидкостно-металлические МГД-генераторы 4,которые механическую энергию превращают в электрическую, В нижней части парового трубопровода установлен испаритель 530 жидкого металла. В верхней части напорного трубопровода 3 установлен конденсатор6, где конденсируется металлический пар, иза счет тепла конденсации нагревается ииспаряется вода пароводяного цикла. В35 нижней части напорного трубопровода 3 установлен регулятор высоты столба жидкогометалла (Н), который обеспечивает стабильную мощность вырабатываемой электроэнергии,40 Регулятор имеет устройство, подобноеМГД-генератору с замыканием вырабатываемого тока на свою обмотку электромагнитов.На схеме фиг. 2 изображены обмотки 845 электромагнитов с сердечниками 9, которыеимеют небольшой остаточный магнетизм.Один конец обмотки электромагнитов подключен к одному токосъемнику 10, а другойтокосъемник 10 соединен с другим концом50 обмотки электромагнитов через датчик 11,который представляет собой два конца проводника 11 и 12, расположенных в отводе 13парового трубопровода. Один конец проводника расположен ниже уровня жидкого55 металла, а другой над ним. При пониженииуровня в напорном трубопроводе повышается в паровом, и жидкий металл и замыкаетоба конца. Остаточный магнетизм вызываетток, магнитное поле усиливается и тормозитпоток ртути до тех пор, пока уровень в паро 182309810 итевом 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 - 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 испэрителе 5.Перегретый пэр направляют в турбину (Т), 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: ч -(г) В13 - 12- 12 )(1 Р 1 1) 1 (1 в 1 в) где а - кратность циркуляции ртути;11 Р - энтэльпия пэров ртути у испар ля; 15 20 25 30 35 40 45 50 12 Р . энтальпия пэров ртути у конденсатора;1 - энтальпия перегретого водяногопара;12 - энтальпия жидкой ртути. поступающей в испаритель;1 н - энтальпия насыщенного водяногопара.Для предложенного бинарного циклакратность (отношение теплоты испаренияводы к теплоте испарения ртути) составляет7-8, что обеспечивает значительное увеличение термического КПД бинарного цикла.Ртутный преобразователь не имеет подвижных частей, что обеспечивает надежность и долговечность работы.Низкая температура ртутного циклаоколо 1000 К не требует специальных материалов (газовые МГД - генераторы имеюттемпературу 3000 К).Разрежение в полости преобразователяисключает утечки ядовитых паров ртути,Жидкостно - металлические МГД - генераторы, применяемые в преобразователе,имеют КПД на порядок выше, чем КПД газовых МГД - генераторов, применяемых длятех же целей,Разрежение в полости преобразователяповышает его термический КПД и, следовательно, КПД всего бинарного цикла.Формула изобретения1, Способ преобразования тепловойэнергии в электрическую, включающий заполнение вертикально расположенных вгравитационном поле трубопроводов, образующих згмкнутую петлю, жидким металлом, подачу его путем нагрева внагревателе, расположенном в нижней части петли трубопровода, к теплообменнику,расположенному в верхней части второготрубопровода, преобразование тепловойэнергии в кинетическую энергию потокажидкого металла по петле трубопроводов ипреобразование кинетической энергии вэлектрическую с помощью по крайней мере,одного МГД - генератора, установленного вовтором трубопроводе, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения КПД преобразования, повышения энергоотдачи единицы,массы рабочего тела, снижения температуры пэрометаллического цикла и стабилизации выходной мощности преобразователя,петлю трубопроводов заполняют жидкимметаллом, массу М которого определяют изусловия получения максимальной разностиуровней жидкого металла в паровом и напорном трубопроводах в соответствии с соотношениемМ = (Чн + Чи)р+ (Чп+ Ч)рр, 1823098где Ч, - объем напорного трубопровода;Чи объем нагревателя жидкого металла;р - плотность жидкого металла при температуре кипения.Чп - объем парового трубопровода; Чк - 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 - 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 ."металла в нагревателе, направляют в контур получения электрической энергии, выполненный на основе пароводяного цикла. 2, Способпоп,1, отличающийсятем, что в качестве жидкого металла используют ртуть.3. Устройство для преобразователя теп 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 металларазмещены 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, располо женные в отводе парового трубопровода,один из которых расположен над уровнем жидкого металла, а второй ниже уровня жидкого металла.1 В 2309 Е Ю 0 О Составитель И.СизовТехред М.Моргентал Корректор С.Лисина Редактор Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 2184 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5