Жидкостный МГД-генератор (безмашинный способ преобразования тепловой энергии в электроэнергию)


Современные способы получения электрической энергии из органического топлива довольно сложны, так как в тепловых двигателях требуется промежуточное преобразование энергии, а такие установки - дорогие и громоздкие. Поршневые ДВС, газовые турбины и реактивные двигатели принципиально проще паросиловых установок, поскольку в них нет промежуточного рабочего тела – пара, для получения которого требуется дополнительное оборудование (котел, конденсатор,
насосное хозяйство и пр.), что связано с затратами энергии. Однако и в этих двигателях тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем уже в электрическую. Так же сложны установки и других типов (гидравлические турбины, атомные станции и т.д.), поэтому уже давно стоит вопрос о разработке новых методов получения электрической энергии без промежуточных преобразований. В настоящее время большой интерес представляют такие способы прямого получения электроэнергии, как термоионный (термоэлектронный); термоэлектрический; магнитогидродинамический (магнитогазодинамический); электрохимический
(топливные элементы).

Остановимся на магнитогидродинамическом способе прямого преобразования

тепловой энергии в электроэнергию. Существующие магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), в основе работы которых рабочее тело – газ, нагретый до температуры в несколько тысяч градусов, становящийся ионизированной плазмой и хорошим проводником электричества (в том числе, при добавлении присадок в виде карбоната калия или солей цезия), - следует называть магнитогазодинамическими.
Но можно разработать и создать именно магнитогидродинамические генераторы, в основе работы которых рабочим телом становятся специально подготовленные жидкостные растворы. В том числе, газожидкостные дисперсии, а на
их основе – дисперсионные суспензии. Преимуществом последних будет то, что отпадает необходимость иметь высокотемпературные газовые среды, сложность удержания которых в замкнутых объёмах приводит к большим тепловым потерям и, как правило, к резкому снижению кпд до 40%, в то время как теоретически допускается, что метод прямого преобразования тепловой энергии в электрическую способен иметь кпд в 65…70%.
Идея жидкостных МГД-генераторов далеко не новая. Еще в 1974 году в книге «Техническая термодинамика» авторы академики АН СССР Кириллин В.А., Сычев В.В. и Шейндлин А.Е. отметили: «Наряду с МГД-генераторами, в которых в качестве электропроводящей среды используется частично ионизированный газ, рассматриваются схемы МГД установок, рабочим телом которых являются жидкие металлы (обычно это щелочные металлы, такие как натрий, и некоторые другие). Значительно более высокая электропроводность жидкого металла (на 4-5 порядков выше, чем частично ионизованного газа) позволяет получить большие мощности при относительно невысоких скоростях движения жидкого металла в МГД-генераторе. Кпд жидкометаллических МГД установок заметно ниже, чем плазменных установок, в первую очередь, вследствие малой экономичности способа ускорения жидких металлов, например, при помощи инжектора, однако компактность установки за счёт значительно больших удельных мощностей и применение для обеспечения циркуляции рабочего тела устройства, не имеющего движущихся частей (электромагнитного насоса вместо громоздкого компрессора), делают жидкометаллические МГД-генераторы привлекательными в ряде случаев (например, в качестве транспортных энергетических установок)».

Ещё одной важной особенностью, мешающей достижению теоретически допустимых значений кпд, является то, что канал МГД-генератора обязательно должен находиться в магнитном поле. Как известно из электродинамики, при пересечении проводником силовых линий магнитного поля в этом проводнике возникает электродвижущая сила (в частности, в обычном электрогенераторе э.д.с. в обмотке ротора возникает при пересечении проводниками обмотки ротора силовых линий магнитного поля, образуемого электромагнитом статора).


Хорошо известен эффект Эйнштейна-де Хааза, который широко используется в современных высоких электронных технологиях, суть которого заключается в том, что при намагничивании ферромагнетик приобретает вращательный момент относительно направления намагничивания (А. Эйнштейн и нидерландский физик В. де Хааз, 1915). Гораздо менее известен и менее распространен эффект Барнетта (1909), - обратный эффекту Эйнштейна-де Хааза, - суть которого заключается в том, что вращение ферромагнитного образца увеличивает его намагниченность вдоль оси вращения.


Эффект Барнетта в сочетании с эффектом Меркулова (см. материал по ссылке:
http://moiidei.com/nauka-raznoe/dvurogiy-pustula-i-effekt-merkulova.html) может положить начало разработке нового способа прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию, то есть, жидкостных МГД-генераторов. В его основе - низкопотенциальное тепло (газы с температурой
не более 200ªC) и растворы на основе соединений, например, железа. Данная технология вполне позволит получать газожидкостные дисперсионные суспензии, струи которых при взаимодействии с магнитным полем установки, порождают внутри потока э.д.с., под действием которой, в свою очередь, в замкнутой внешней цепи установки потечёт электрический ток. Преимуществом такого способа прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию станет отсутствие высокотемпературных сред, сложность удержания которых в замкнутых объемах, не дозволяет довести кпд МГД-генерации до величин, близких к теоретическим. Кроме того, такие жидкостные МГД-генераторы будут дешевле, проще и более компактными в сравнении с магнитогазодинамическими.

 


Здесь необходимо сослаться на работы профессора Самарского государственного университета, доктора технических наук, заведующего лабораторией ОНИЛ-9 А.П. Меркулова, который первым попробовал использовать в качестве рабочего тела жидкость (воду) в известной конструкции вихревой трубки Ранке - Хильша. Полученные им результаты интересны тем, что вода, пропущенная через устройство, активно насыщалась парогазовыми пузырьками различного диаметра (мною этот опыт повторен и полностью подтверждается). Об устойчивости полученного газожидкостного раствора А.П. Меркулов ничего не сообщает. Но при этом высказал предположение о механизме образования пузырьков.

По его мнению, в пограничном (пристеночном) слое раскрученного потока жидкости сдвиговые силы так действуют на элементарный объём жидкости, что возникает микровихревое образование вдоль оси, параллельной стенке. Под действием центробежных сил вдоль оси возникает пустота, которая мгновенно заполняется парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости.

222.jpg



































В предлагаемой к рассмотрению конструкции установки, идея А.П. Меркулова дополнена тем, что на цилиндрическую стенку, омываемую раскрученным потоком жидкости, наложены упругие механические колебания низкой частоты. То есть, стенка совершает колебательные движения, скорости которых периодически - то совпадают с линейной скоростью закрученного потока жидкости, то направлены в противоположную сторону.

333.jpg


 










Если А.П. Меркулов прав в своих предположениях, то в данном случае создаются практически идеальные условия для зарождения огромного множества раскручиваемых элементарных объёмов жидкости. Приближённые расчеты показывают, что, например, элементарный объём жидкости, имеющий в поперечном сечении квадрат со сторонами в 10 микрон, при расчётной амплитуде колебаний стенки в 0,3 мм, раскручиваясь, приобретает частоту вращения в миллионы (!) оборотов в минуту.
Возникающие при этом центробежные силы, действующие на жидкость, столь велики, что вдоль оси вращения непременно образуется пустота веретёнообразной формы, мгновенно заполняемая парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости.

444.jpg


 






















Поскольку у сферы наилучшее оптимальное соотношение между объёмом и её поверхностью, то, в конце концов, веретёнообразное образование приобретает сферическую форму, то есть, форму пузырька. Фактически, в объёме жидкости присутствуют включения, характерной особенностью которых является то, что они обладают собственно моментом количества движения. В квантовой механике это называется спином. Даже, если представить себе, что до полного затухания вращательного момента требуется несколько секунд, то и тогда этого времени вполне достаточно, чтобы сочетание эффектов Барнетта и Меркулова проявили себя при пропускании жидкости через силовые линии магнитного поля, образуемого электромагнитом статора. То есть, в обмотке статора появится своя э.д.с.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии могут стать уходящие газы ДВС, газовых турбин и котлов многочисленных отопительных котельных.
Действительно, температура их уходящих газов, как правило, не превышает 200°C. Между тем, при получении 1 МВт тепловой полезной нагрузки от сжигаемого природного газа в атмосферу выбрасывается примерно 1500 кубометров газов. Данное «бросовое» тепло и может быть использовано для выработки электроэнергии жидкостными МГД-генераторами. Если представить себе, что кпд такого безмашинного прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию составляет, например, 50%, то от использования 1500 куб. метров уходящих газов можно получить электрическую мощность величиной в 40…50 КВт. Но в наше время мощности городских отопительных котельных измеряются уже сотнями МВт. Например, в Москве имеется целый ряд районных тепловых станций (РТС), мощности которых перевалили за 500 МВт.
Правительство Москвы, решая вопросы повышения эффективности топливно-энергетического комплекса города, идёт по пути форсированного освоения, так называемой, когенерации. То есть, на территории существующих РТС устанавливаются газотурбинные установки (ГТУ), вырабатывающие электроэнергию, тепло выхлопных газов которых с помощью котлов-утилизаторов используется для нужд отопления и горячего водоснабжения. Это даёт ощутимую экономию топливных ресурсов.


Автор данных строк немного работал на РТС в московском Пенягино. Тепловая мощность РТС составляет около 600 МВт. Кроме котлов, там установлены два блока ГТУ когенерации. В их основе две «сименсовские» турбины по 25 МВт каждая. Но прямое преобразование тепла почти 850 тыс. кубометров уходящих газов (в час) в электроэнергию может дать ещё, как минимум, 30 МВт электрической мощности. Если стоимость каждой турбины составляет $7000000, то жидкостные МГД-генераторы будут стоить гораздо дешевле. Но самое главное здесь, - выбросы в атмосферу можно свести к нулю, что заметно скажется на экологической обстановке мегаполиса. Да и эффективность использования топливных ресурсов заметно
повысится.


Из «отработанной» газожидкостной дисперсии можно отобрать ещё немалое количество низкопотенциальной тепловой энергии (см. материал по ссылке: http://moiidei.com/tehnika-tehnologii/utilizator-brosovogo-tepla-novogo-tipa-rabotayut-puzyirki.html).
 

http://www.inbitech.ru/