Источник тепла для магнитогидродинамического генератора (варианты)

Источник тепла для магнитогидродинамического генератора (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к источникам тепла, а именно к источникам тепла, обеспечивающим нагрев газа для использования его в магнитогидродинамическом генераторе (МГД-генераторе).

Известно использование в качестве источника тепла, обеспечивающего нагрев газа, используемого в МГД-генераторе СВЧ-источника (патент РФ №2110131).

Недостатком такого источника тепла является его сложность, а также недостаточная эффективность.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, - упрощение конструкции источника тепла для МГД-генератора, повышение его эффективности.

Технический результат достигается тем, что по первому варианту источник тепла для магнитогидродинамического генератора содержит камеру из теплоизолирующего материала с входным и выходным отверстиями, внутри камеры на расстоянии от ее внутренней поверхности размещен химический источник тепла, содержащий полый корпус из теплопроводного материала, нагрев которого происходит при выделении тепла в результате химической реакции в полости корпуса, корпус источника тепла снабжен патрубком, выходящим через входное отверстие камеры, внутренние полости корпуса химического источника тепла и камеры изолированы друг от друга, между камерой и корпусом химического источника тепла расположен с зазором относительно них газопроницаемый нагревательный экран, поглощающий тепловое излучение, а между нагревательным экраном и камерой расположен с зазором относительно них газопроницаемый тепловой экран, отражающий тепловое излучение, выходное отверстие камеры снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры и отделяющим полость камеры, образованную между нагревательным экраном и внутренней поверхностью камеры, от выходного отверстия, камера, корпус химического источника тепла и патрубки корпуса источника тепла и выходного отверстия камеры выполнены из газонепроницаемого материала, входное отверстие камеры расположено с возможностью обеспечения подачи газа в пространство между камерой и корпусом химического источника тепла с патрубком, выходное отверстие камеры предназначено для сообщения со входом канала МГД-генератора.

Целесообразно, чтобы внутренняя поверхность камеры была выполнена или покрыта теплоотражающим материалом.

Целесообразно, чтобы входное отверстие камеры было снабжено патрубком, через который проходит патрубок корпуса источника тепла.

Целесообразно, чтобы патрубок входного отверстия камеры был выполнен из теплоизолирующего материала.

Целесообразно, чтобы патрубок корпуса источника тепла был выполнен из теплопроводного материала.

Целесообразно, чтобы патрубок выходного отверстия камеры был выполнен из теплоизолирующего материала.

В источнике тепла по первому варианту нагревательный и тепловой экраны с одной стороны плотно контактируют с патрубком корпуса источника тепла, а с другой стороны плотно контактируют с патрубком выходного отверстия камеры.

По второму варианту источник тепла для магнитогидродинамического генератора содержит камеру из теплоизолирующего материала с входным и выходным отверстиями, внутри камеры на расстоянии от ее внутренней поверхности размещено твердое ядерное топливо, выполненное газопроницаемым, в полости между камерой и твердым ядерным топливом расположен на расстоянии от них газопроницаемый замедлитель нейтронов, а между камерой и замедлителем нейтронов на расстоянии от них расположен газопроницаемый тепловой экран, отражающий тепловое излучение, выходное отверстие камеры снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры и отделяющим полость камеры, образованную между твердым ядерным топливом и внутренней поверхностью камеры, от выходного отверстия, камера и патрубок выходного отверстия камеры выполнены из газонепроницаемого материала, входное отверстие камеры предназначено для подачи газа во внутреннюю полость камеры в пространство между внутренней поверхностью камеры и твердым ядерным топливом, выходное отверстие камеры предназначено для сообщения со входом канала МГД-генератора.

Целесообразно, чтобы внутренняя поверхность камеры была выполнена или покрыта теплоотражающим материалом.

Целесообразно, чтобы патрубок выходного отверстия камеры был выполнен из теплоизолирующего материала.

Целесообразно снабдить источник тепла внешней защитной оболочкой, окружающей камеру.

В источнике тепла по второму варианту патрубок выходного отверстия камеры выходит к твердому ядерному топливу, плотно контактируя с ним для обеспечения поступления в патрубок газа, прошедшего через твердое ядерное топливо, замедлитель и тепловой экран плотно контактируют с патрубком выходного отверстия камеры.

Согласно первому варианту изобретения тепло создается в результате химической реакции, происходящей внутри корпуса химического источника тепла. Исходными компонентами для создания химической реакции, идущей с выделением тепла, могут быть использованы, например: в качестве горючего - метан, водород или другие углеводороды, а в качестве окислителя - кислород или обогащенный им воздух. Вид химических веществ, реакции между которыми идут с выделением тепла, не имеет принципиального значения для изобретения. Главное, чтобы в результате этих химических реакций был нагрет до необходимой температуры корпус химического источника тепла. Тепло от нагретого корпуса должно быть передано газу, подаваемому во внутреннюю полость камеры. Свойством газа является выбор пути движения - по пути наименьшего сопротивления. Если подать газ в полость камеры (т.е. фактически в полость между камерой и корпусом химического источника тепла), в этом случае газ, двигаясь в этой полости по направлению от входного к выходному отверстию камеры, пройдет вдоль корпуса химического источника тепла, нагреется и выйдет через выходное отверстие камеры в канал МГД-генератора. Однако при этом нагрев газа будет неэффективным и неравномерным, т.к. больше прогреются слои газа, расположенные ближе к корпусу химического источника тепла. Для обеспечения эффективного нагрева газа предусмотрено следующее. Выходное отверстие камеры снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры. Корпус химического источника тепла также снабжен патрубком, выходящим через входное отверстие камеры. При этом патрубок выходного отверстия камеры не доходит до корпуса химического источника тепла, а расположен от него с зазором (т.е. на расстоянии). Газопроницаемый нагревательный экран, поглощающий тепловое излучение, и тепловой экран, отражающий тепловое излучение, поступающее через нагревательный экран от источника тепла, расположены в полости между корпусом химического источника тепла и камерой, они с одной стороны плотно контактируют (прилегают) с патрубком корпуса источника тепла, а с другой стороны плотно контактируют (прилегают) к стенкам патрубка выходного отверстия камеры. Патрубок корпуса источника тепла выполнен из теплопроводного тугоплавкого материала, а патрубок выходного отверстия камеры выполнен из теплоизолирующего тугоплавкого материала. Оба патрубка выполнены газонепроницаемыми. Рабочий газ МГД-генератора подается во внутреннюю полость камеры в пространство между камерой и корпусом химического источника тепла с патрубком, далее газ двигается в этой полости до выходного отверстия камеры. В этом месте газ упирается в газонепроницаемые стенки патрубка и не может выйти через стенки патрубка в канал МГД-генератора. Газ накапливается в полости между камерой и корпусом химического источника тепла и проходит через газопроницаемые тепловой и нагревательный экраны по направлению к корпусу химического источника тепла, контактно нагревается и выходит через зазор между патрубком выходного отверстия камеры и корпусом химического источника тепла в патрубок выходного отверстия камеры и далее - в канал МГД-генератора. Целесообразно снабдить патрубком, выполненным из теплоизолирующего материала, также входное отверстие камеры. В этом случае газ будет поступать во внутреннюю полость камеры по полости, образованной между патрубком входного отверстия камеры и патрубком корпуса источника тепла, выполненного из теплопроводного материала. Двигаясь между вышеуказанными патрубками, газ начинает нагреваться и поступает в камеру уже предварительно нагретым, что повысит эффективность нагрева газа в полости камеры. Газопроницаемость теплового и нагревательного экранов может быть обеспечена разными способами, например выполнять их с отверстиями, расположенными по всей площади экранов, или из пористого материала. Функция нагревательного экрана - поглощать тепловое излучение, идущее от корпуса химического источника тепла, и нагревать газ при его прохождении через экраны. Функция теплового экрана - сохранять тепловое излучение во внутренней полости камеры. Для уменьшения потерь тепла внутренняя поверхность камеры должна быть выполнена из теплоотражающего материала. В этом случае тепло будет возвращаться в полость камеры и дополнительно нагревать газ, а также уменьшатся тепловые потери от внешних стенок камеры. Нагревательный экран может быть выполнен, например, из графита. Тепловой экран может быть выполнен, например, из вольфрама, тантала, молибдена, циркония и других тугоплавких материалов.

По второму варианту источником тепла является твердое ядерное топливо. Замедлитель нейтронов, расположенный в полости между камерой и твердым ядерным топливом с зазором относительно них, окружает ядерное топливо. Между внутренней поверхностью камеры и замедлителем расположен тепловой экран, отражающий тепловое излучение, выделяемое ядерным топливом. Камера выполнена с входным и выходным отверстиями, при этом выходное отверстие снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры. Для того чтобы обеспечить максимальный теплоотвод выделяемого ядерным топливом тепла и максимальный нагрев им рабочего газа необходимо, чтобы газ проходил не только по наружной поверхности топлива, но и проходил через топливо, в заявляемой конструкции источника тепла предусмотрено следующее. Твердое ядерное топливо выполнено газопроницаемым (например, выполнено со сквозными отверстиями, или из шаров, цилиндров и т.п.топливных элементов, образующих газопроницаемый объем) (Д.Белл, С.Глесстон «Теория ядерных реакторов». - М.: Атомиздат, 1974 г., стр.454-456). Торцы теплового экрана и замедлителя плотно контактируют с патрубком выходного отверстия камеры, камера и патрубок выходного отверстия камеры выполнены из газонепроницаемого материала. Таким образом газ, поступающий через входное отверстие камеры, попадает в полость между внутренней поверхностью камеры и твердым ядерным топливом и двигается по направлению к выходному отверстию камеры. У выходного отверстия камеры газ упирается в газонепроницаемые стенки патрубка и не имеет возможности выйти из полости камеры через ее выходное отверстие. Газ накапливается в полости камеры и, постепенно проходя через тепловой экран, замедлитель и твердое ядерное топливо (являющиеся газопроницаемыми), нагревается и выходит через патрубок в выходное отверстие камеры - в канал МГД-генератора. Функция теплового экрана - сохранять тепло во внутренней полости камеры, уменьшить потери тепла. С целью уменьшения тепловых потерь от нагретого рабочего газа, который поступает в канал МГД-генератора, целесообразно в качестве материала патрубка выходного отверстия камеры использовать теплоизолирующий материал. Для уменьшения потерь тепла внутренняя поверхность камеры должна быть покрыта теплоотражающим материалом, а стенки камеры должны быть выполнены из теплоизолирующего материала. В этом случае тепловое излучение будет возвращаться в полость камеры и дополнительно нагревать газ, а также уменьшаются тепловые потери от внешних стенок камеры. Тепловой экран может быть выполнен из вольфрама, тантала, молибдена, циркония. Твердое ядерное топливо может быть выполнено из оксида урана или карбида урана. В конструкции источника тепла по второму варианту могут быть предусмотрены дополнительные газопроницаемые нагревательные экраны, расположенные между замедлителем нейтронов и твердым ядерным топливом. В этом случае нагревательные экраны будут поглощать тепловое излучение, исходящее от ядерного топлива, и контактно передавать тепло проходящему через них газу.

В реальной конструкции источника тепла по второму варианту должно быть предусмотрено также наличие регулирующих стержней. Однако, поскольку наличие регулирующих стержней не влияет на сущность заявляемого решения, в формуле изобретения они не указаны.

Для уменьшения поступления ядерного излучения в окружающую среду может быть предусмотрена внешняя защита (оболочка), окружающая камеру и выполненная, например, из бетона.

Источник тепла по обоим вариантам позволяет обеспечить максимальный нагрев газа. Конструкция источника тепла позволяет встроить его непосредственно в МГД-генератора и тем самым уменьшить потери тепла, возникающие при движении нагретого рабочего газа к каналу МГД-генератора, и снизить габаритные размеры генератора. Поэтому в заявляемом источнике тепла максимально снижены потери тепла.

Заявляемый источник тепла поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен заявляемый источник тепла с химическим источником тепла.

На фиг.2 изображен заявляемый источник тепла с твердым ядерным топливом.

Источник тепла на фиг.1 содержит камеру 1 из теплоизолирующего материала. Камера 1 выполнена с входным 2 и выходным 3 отверстиями. В полости камеры 1 расположен химический источник тепла, содержащий корпус 4, снабженный патрубком 5. Корпус 4 и патрубок 5 выполнены из теплопроводного материала. Внутри корпуса 4 тепло создается за счет химической реакции окисления, например реакции горения метана: CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O. При этом корпус 4 нагревается, а отработанные рабочие газы выходят через патрубок 5. Между корпусом 4 и камерой 1 расположены нагревательные экраны 6, поглощающие тепловое излучение, исходящее от источника тепла. Между камерой 1 и экранами 6 расположены тепловые экраны 7, отражающие тепловое излучение, исходящее от источника тепла и экранов 6. Отраженное от экранов 7 тепловое излучение способствует еще большему нагреву экранов 6 и тем самым большему нагреву газа. Экраны 6 выполнены из графита (возможно выполнение из других материалов). Экраны 7 выполнены из вольфрама. В корпус 4 подается метан (или другое углеводородное топливо, водород и т.п.) и кислород (или обогащенный кислородом воздух), которые вступают в химическую реакцию с выделением тепла. Выходное отверстие 3 снабжено патрубком 8, выходящим во внутреннюю полость камеры 1. Патрубок 8 выполнен из теплоизолирующего материала и является газонепроницаемым. Между патрубком 8 и корпусом 4 имеется зазор 9. Торцы экранов 6 и 7 плотно контактируют с одной стороны с патрубком 5, а с другой стороны - с патрубком 8. Плотный контакт означает, что между контактирующими элементами образовано герметичное соединение, через которое не может просочиться газ.

Источник тепла по первому варианту (фиг.1) работает следующим образом. Газ поступает через входное отверстие 2 в полость камеры 1 и двигается по направлению к патрубку 8. Далее, поскольку газ не может двигаться через стенки патрубка 8, выполненные из газонепроницаемого материала, газ накапливается в полости камеры 1. Экраны 6 нагреваются тепловым излучением, исходящим от корпуса 1. Для предотвращения потерь тепла внутренняя поверхность камеры 1 покрыта отражающим тепловое излучение материалом, а сама камера выполнена из теплоизолирующего материала. Также для предотвращения потерь тепла предназначены тепловые экраны 7, отражающие тепловое излучение, исходящее от экранов 6 в обратном направлении и тем самым способствующие большему нагреву экранов 6. Накопленный в полости камеры 1 газ проходит через газопроницаемые экраны 7 и 6, нагреваясь при этом, поступает в зазор 9 между патрубком 8 и корпусом 5, выходит через отверстие 3, сообщенное с каналом МГД-генератора (на фиг.1 не показан).

Источник тепла на фиг.2 содержит камеру 1 с теплоизолирующими внутренними стенками. Камера 1 выполнена с входным 2 и выходным 3 отверстиями. В полости камеры 1 расположено твердое ядерное топливо 10, выполненное газопроницаемым. Между топливом 10 и камерой 1 расположены нагревательные экраны 6, поглощающие тепловое излучение, исходящее от топлива 10. Между камерой 1 и экранами 6 расположены тепловые экраны 7, отражающие тепловое излучение, поступающее от топлива 10, экранов 6 и замедлителя нейтронов 11, расположенного между экранами 6 и 7. Экраны 6 и 7, а также замедлитель 11 выполнены газопроницаемыми. Материал замедлителя 11 - например, графит. Отраженное от экранов 7 тепло способствует еще большему нагреву замедлителя 11 и экрана 6 и тем самым способствует большему нагреву газа. Экраны 6 выполнены из графита. Экраны 7 выполнены, например, из вольфрама. Топливо 10 представляет собой оксид урана. Выходное отверстие 3 снабжено патрубком 8, выходящим во внутреннюю полость камеры 1. Патрубок 8 выполнен из теплоизолирующего материала и является газонепроницаемым. Патрубок 8 выходит к топливу 10, плотно контактируя с ним. Торцы экранов 6 и 7, замедлителя 11 упираются в стенки патрубка 8, плотно контактируя с ним. Плотный контакт означает, что между контактирующими элементами отсутствуют щели, через которые может просочиться газ. Т.е. газ не может поступить в патрубок 8 не пройдя через экраны 7 и 6 и топливо 10. Источник тепла по второму варианту снабжен регулирующим стержнем 12.

Источник тепла по второму варианту (фиг.2) работает следующим образом. Газ поступает через входное отверстие 2 в полость камеры 1 и двигается по направлению к патрубку 8. Далее, поскольку газ не может двигаться через стенки патрубка 8, выполненные из газонепроницаемого материала, газ накапливается в полости камеры 1. Экраны 6 нагреваются тепловым излучением, исходящим от нагретого ядерного топлива 10. Для предотвращения потерь тепла камера выполнена из теплоизолирующего материала, а ее внутренняя поверхность покрыта теплоотражающим материалом. Также для предотвращения потерь тепла предназначены тепловые экраны 7, отражающие тепловое излучение, исходящее от нагретого замедлителя 11 и экранов 6 в обратном направлении и тем самым способствующее большему нагреву экранов 6 и замедлителя 11. Накопленный в полости камеры 1 рабочий газ начинает проходить через газопроницаемые замедлители 11, экраны 6 и 7, через газопроницаемое топливо 10, контактно нагреваясь при этом, поступает в полость патрубка 8 и выходит через отверстие 3, сообщенное с каналом МГД-генератора (на фиг.2 не показан).

1. Источник тепла для магнитогидродинамического генератора, содержащий камеру из теплоизолирующего материала с входным и выходным отверстиями, внутри камеры на расстоянии от ее внутренней поверхности размещен химический источник тепла, содержащий полый корпус из теплопроводного материала, нагрев которого происходит при выделении тепла в результате химической реакции в полости корпуса, корпус источника тепла снабжен патрубком, выходящим через входное отверстие камеры, внутренние полости корпуса химического источника тепла и камеры изолированы друг от друга, между камерой и корпусом химического источника тепла расположен с зазором относительно них газопроницаемый нагревательный экран, поглощающий тепловое излучение, а между нагревательным экраном и камерой расположен с зазором относительно них газопроницаемый тепловой экран, отражающий тепловое излучение, выходное отверстие камеры снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры и отделяющим полость камеры, образованную между нагревательным экраном и внутренней поверхностью камеры, от выходного отверстия, камера, корпус химического источника тепла и патрубки корпуса источника тепла и выходного отверстия камеры выполнены из газонепроницаемого материала, входное отверстие камеры расположено с возможностью обеспечения подачи газа в пространство между камерой и корпусом химического источника тепла с патрубком, выходное отверстие камеры предназначено для сообщения со входом канала МГД-генератора.

2. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры выполнена или покрыта теплоотражающим материалом.

3. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что входное отверстие камеры снабжено патрубком, через который проходит патрубок корпуса источника тепла.

4. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что патрубок входного отверстия камеры выполнен из теплоизолирующего материала.

5. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что патрубок корпуса источника тепла выполнен из теплопроводного материала.

6. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что патрубок выходного отверстия камеры выполнен из теплоизолирующего материала.

7. Источник тепла по п.1, отличающийся тем, что нагревательный и тепловой экраны с одной стороны плотно контактируют с патрубком корпуса источника тепла, а с другой стороны плотно контактируют с патрубком выходного отверстия камеры.

8. Источник тепла для магнитогидродинамического генератора, содержащий камеру из теплоизолирующего материала с входным и выходным отверстиями, внутри камеры на расстоянии от ее внутренней поверхности размещено твердое ядерное топливо, выполненное газопроницаемым, в полости между камерой и твердым ядерным топливом расположен на расстоянии от них газопроницаемый замедлитель нейтронов, а между камерой и замедлителем нейтронов на расстоянии от них расположен газопроницаемый тепловой экран, отражающий тепловое излучение, выходное отверстие камеры снабжено патрубком, выходящим во внутреннюю полость камеры и отделяющим полость камеры, образованную между твердым ядерным топливом и внутренней поверхностью камеры, от выходного отверстия, камера и патрубок выходного отверстия камеры выполнены из газонепроницаемого материала, входное отверстие камеры предназначено для подачи газа во внутреннюю полость камеры в пространство между внутренней поверхностью камеры и твердым ядерным топливом, выходное отверстие камеры предназначено для сообщения со входом канала МГД-генератора.

9. Источник тепла по п.8, отличающийся тем, что внутренняя поверхность камеры выполнена или покрыта теплоотражающим материалом.

10. Источник тепла по п.8, отличающийся тем, что патрубок выходного отверстия камеры выполнен из теплоизолирующего материала.

11. Источник тепла по п.8, отличающийся тем, что источник тепла снабжен внешней защитной оболочкой, окружающей камеру.

12. Источник тепла по п.8, отличающийся тем, что патрубок выходного отверстия камеры выходит к твердому ядерному топливу, плотно контактируя с ним для обеспечения поступления в патрубок газа, прошедшего через твердое ядерное топливо, а тепловой экран и замедлитель плотно контактируют с патрубком выходного отверстия камеры.