CN103441641A - 爆轰波引射环道式磁流体发电*** - Google Patents

Abstract

本发明是一种爆轰波引射环道式磁流体发电***，其特征是在一个燃气磁流体闭路环道中，至少一个爆轰发动机通过引射混合器将爆轰燃气喷人闭路环道内，闭路环道内串联设置磁流体发电单元，磁流体发电单元是由一个强电离放电非平衡等离子体化学反应器和一段磁流体发电通道组成，等离子体化学反应器在闭路环道中，在将高压原料气甲烷、二氧化碳、水蒸气自热联合重整制合成气燃料的同时，产生强电离放电磁流体工质，高速通过磁流体发电通道，切割磁力线直接输出电能。由于燃气磁流体采用闭路循环，无排气***，充分利用自然资源，提高磁流体发电效率。

Description

爆轰波引射环道式磁流体发电***

一、技术领域

爆轰波引射环道式磁流体发电***属发电机械装置，特别是涉及一种天然气爆轰燃气在闭路环道中反复循环，将热能直接转换成电能的新型磁流体发电***。另外涉及一种高气压滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器和一种等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机。

二、技术背景

众所周知，磁流体发电***按其工作循环来分，可以分成开环磁流体发电和闭环磁流体发电。无论开环与闭环***都是以化石燃料(也可以是核能)为热源，闭环不过是把化石燃料燃烧产生的热能通过某种热交换器传给惰性气体或液态金属而已，因此在化石燃料燃烧为热源的磁流体发电中，将会有大部分热能跟随尾气直接排向大气，造成环境的污染和能源的极大浪费，如何控制化石燃料燃烧后二氧化碳的排放及对其进行有效能量的再利用，是全球科学家急需解决的难题。

化学能通过燃烧后的激波传播速度的不同，燃烧波可分为缓燃波和爆轰波。燃料的缓燃可近似认为是等压过程，爆轰燃烧过程近似于等容过程，热循环效率高于等压燃烧效率近一倍。设想通过燃料的爆轰，将化学能转化为工质的动能，虽然会得到高速磁流体，但燃气的电导率一般只有10^-2～10^-1S/M数量级，即使通过外加非平衡等离子体放电，提高磁流体工质的电导率，也属弱电离磁流体，其电离程度在10^-6<a<0.01范围内。等离子体导电性主要由等离子体中电子浓度决定的。所谓的非平衡一般指***中电子与重粒子相比具有较大的动能，表现为电子的温度远远高于重粒子温度，在非平衡条件下，外加强电场的能量主要作用于电子，可使等离子体中电子温度很容易达到几万K，而重粒子温度几乎不变，此时的流体才具有较高的导电性，同时也避免了发电工质对高温材料的限制。

等离子体重整CH₄-CO₂制合成气(H2+CO)，不仅可以合理利用自然界丰富的CH₄与CO₂资源，而且可以缓解两者引起的温室效应，减轻大气环境污染。国内外已开展的等离子CH₄-CO₂反应制合成气研究中，多采用非平衡等离子体和热等离子体两种工艺流程。非平衡等离子体具有很高的选择性和能量效率，但是等离子体密度较低，很难在高流量下达到高的转化率。另外，大气压下非平衡等离子体放电的非均匀性很难保证原料气全部通过等离子体区，导致反应的能量产率偏低，不利于工业化应用。热等离子体的重粒子温度与电子温度接近相等，可达到5000K---10000K，不仅含有丰富的化学活性粒子，同时也是一种很好的高温热源，可为强吸热反应过程提供足够的能量并可加速化学反应进程。虽然热等离子体重整CH₄、CO₂处理量大，但工质基础温度高，能源效率很低。

三、发明内容

针对现有技术本发明目的在于，提供一种以天然气爆轰波为动力的闭环磁流体发电***，与现有技术相比具有如下特点：1、燃烧磁流体发电机采用闭路环道式结构，无需排气***，不存在排气污染环境；2、回收利用尾气中的能量提高燃烧效率；3、可将二氧化碳和水蒸气在磁流体发电通道内转化为燃料，并在磁流体闭路环道内重新燃烧；4、通过非平衡等离子体强电离放电提高磁流体的电导率，增加磁流体发电效率；5、***无运动部件，结构简单可靠；6、提出一种等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机；7、提出一种滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器。

本发明的主要技术特征：在一个闭路环道上，有一个以上的爆轰发动机通过引射混合器，将爆轰燃气喷人闭路环道中，在闭路环道中串联设置至少一段磁流体发电单元，每段磁流体发电单元都设有一个强电离放电非平衡等离子体发生器；，强电离放电非平衡等离子体发生器在闭路环道中，既是离子源也是等离子体化学反应器；爆轰燃气在闭路环道内，经过串联的强电离放电非平衡等离子体化学反应器时，发生等离子体甲烷二氧化碳重整、水蒸气重整和甲烷部分氧化联合重整；可将CH₄、CO₂和H₂O在闭路环道内接近100％转化为H₂+CO合成气燃料(由于气体内存在其它微量元素)，并在闭路环道内经引射混合器吸入重复燃烧，如此反复循环无需排气***，同时环道内被强电离的燃气非平衡磁流体工质，高速经过串联的磁流体发电通道时切割磁力线，将动能直接转化为电能输出。

所述爆轰发动机可以是脉冲爆轰发动机或旋转爆轰发动机，它们都是通过引射混合器将爆轰燃气喷人闭路环道中，并在闭路环道中形成压力梯度。

所述磁流体发电单元是由一段磁流体发电通道和一个强电离放电非平衡等离子体发生器组成。

所述磁流体发电单元也是由一段磁流体发电通道和一个强电离放电非平衡等离子体化学反应器组成。

所述强电离放电非平衡等离子体化学反应器，在磁流体发电通道内进行甲烷自热联合重整制合成气燃料。

四、附图说明

附图1爆轰波引射环道式磁流体发电***示意图

附图2爆轰波引射环道式磁流体发电***示意图

附图3爆轰波引射环道式磁流体发电***示意图

附图4爆轰波引射环道式磁流体发电***示意图

附图5等离子体聚焦起爆重复爆轰发动机示意图

附图6A-----A剖视图

附图7B-----B剖视图

附图8高气压非平衡等离子体滑移弧强电离放电发生器示意图

附图中：1、闭路环道、2、爆轰发动机、3、波瓣引射混合器、4、重复爆轰燃烧室、5、磁流体发电单元、6、强电离放电非平衡等离子体发生器/强电离放电非平衡等离子体化学反应器/滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器、7、磁流体发电通道磁体、8.爆轰燃气、9、引射气体、10、预混合气、11、等离子体聚焦起爆重复爆轰发动机介质阻挡放电电极、12.等离子体聚焦起爆重复爆轰发动机爆轰管、13、等离子体聚焦起爆重复爆轰发动机凹腔、14等离子体聚焦起爆重复爆轰介质阻挡放电电源、15、高压甲烷、二氧化碳、水蒸气混合气体、16、强电离放电非平衡等离子体发生器介质阻挡放电电极、17、强电离放电非平衡等离子体发生器介质阻挡放电电源、18、导入电极、19、导入电极电源、20、强电离放电非平衡等离子体射流/滑移弧。

五、具体实施例

1、现有技术的脉冲爆轰发动机和连续旋转爆轰发动机仍然是概念发动机，离实际工程应用还有许多关键技术需要解决。根据爆轰波引射环道式磁流体发电***的动力技术要求，本发明提出一种等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机(附图5)。发动机由预混合气供给***、介质阻挡放电等离子体环形喷口、爆轰管、波瓣引射混合器、重复爆轰燃烧室组成。其动力循环是由两级脉冲爆轰组成，第一级脉冲爆轰在反射凹腔内，第二级脉冲爆轰在重复爆轰燃烧室。其特征在于，爆轰管的环形进气喷口处设置介质阻挡放电电极，对超声速预混合气放电，形成超声速等离子体环形射流，通过环形超声速射流聚焦碰撞产生的激波在腔底凹面共振发射，聚焦形成高温高压“热点”起爆，在爆轰管内形成高频率脉冲爆轰波。爆轰管的另一个特征在于，爆轰管的排气端连接波瓣引射混合器和重复爆轰燃烧室。波瓣引射混合器和重复爆轰燃烧室设置在发电***的闭路环道中，通过波瓣引射混合器将转化的合成气燃料吸入重复爆轰燃烧室中重复燃烧。所谓重复爆轰燃烧室，就是指在燃烧室内增加一个突扩截面，在截面上爆轰波发生弯曲，波阵面面积增大，Mach数降低，前导激波与反应区解耦，解耦后的前导激波对部分未反应气体混合物进行再压缩，进一步提高了气体混合物的温度和压力，在燃烧室中通过激波相互作用，在这个被压缩的气体中重新起爆，得到一个过驱的爆轰过程；这个过驱的爆轰波通过波瓣引射混合器在环道中形成高压端和低压端。等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机的动力***可连续高压注入预混合气，无需DDT距离，无需点火装置，可自适应控制直接起爆。

2、本发明提出一种高气压(p>0.1MPa)非平衡等离子体滑移弧强电离放电发生器(附图8)，发生器由高压原料气甲烷、二氧化碳、水蒸气供给***及两级非平衡等离子体耦合强电离放电组成。第一级强放电是由介质阻挡脉冲强电离放电，所产生非平衡等离子射流，其射流等离子体浓度应达到10¹⁰/cm³以上；将两套这种强电离放电等离子体射流装置，设置在闭路环道两侧，强电离等离子射流在环道内相对喷射相交于环道中心。第二级强电离放电非平衡等离子体的产生，是在第一级强电离等离子体射流的两侧，通过导入电极重新导入一个新的强放电电场，利用射流等离子体良好的导电性，让两射流在通道中心相交起弧放电，放电电弧在爆轰燃气流和发电通道内强磁场的耦合作用下，在流动的过程中从起弧到息弧反复循环，形成一种新的高气压(p＞0.1Mpa)非平衡等离子体强电离放电滑移弧放电模式。这种模式是以两个等离子体射流为放电电极，两电极的放电距离是由射流喷射强度来调整；为达到较高的非平衡度和电离效率，也可采用纳秒级脉冲放电电源，纳秒脉冲放电使高电场强度应用很短的时间，并在等离子体衰减完之前，施加下一个高压脉冲产生新的电子，其纳秒级的短脉冲时间远小于电离向不稳定发展并转化为电弧放电特征时间，极大地提高了等离子体的稳定性，并且纳秒脉冲放电实现了更高折合场强下放电，相比直流自持放电具有更高的非平衡度和电离效率，维持同等电离水平的等离子体所消耗的功率要远低于直流放电方式，这种纳秒脉冲强放电模式与滑移弧放电模式是可以通过控制电源技术参数而相互转化。经过两级耦合强电场电离放电，可形成折合电场强度E/n.>350Td、电子平均能量Te.>10eV，产生的电子浓度>10¹⁶/cm³的非平衡等离子体，其强电离放电使闭路环道内气体分子处于高能态，分解、电离成光子、电子、活性原子、激发态原子、自由基以及活性分子碎片等，高能电子足以切断任何气体分子的化学结合键，在为化学反应提供必要的具有多自由度的某一特定化学键断裂形成新分子的过程，其时间尺度为分子振动周期量级，即是十至数百飞秒量级，也同时为磁流体发电机提供了强电离(a>10^-4)磁流体工质。

强电离放电非平衡等离子体甲烷自热联合重整，综合了水蒸气重整、二氧化碳重整和部分氧化，耦合了强放热和强吸热两种反应，通过调节H₂O、CO₂、和CH₄的相对反应浓度，可以得到不同H₂/CO比例的气体，从技术和经济的角度都是有效利用能源的一种先进方法。爆轰波引射环道式磁流体发电***的甲烷自热联合重整是通过两步进行，首先是甲烷氧化，由甲烷/氧气预混合气在爆轰发动机中爆轰燃烧：CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O此反应为强氧化放热反应，在供给磁流体工质动能和热量的同时生成二氧化碳和水蒸气之后，CH₄、CO₂、气态H₂O高压原料气，经介质阻挡强电离放电产生非平衡等离子体射流喷入闭路环道内，经过连续的滑移弧强电离放电，在闭路环道非平衡等离子体化学反应器中可能发生的主要反应：

在闭路环道内反复循环反应制合成气(H₂/CO)过程中，需要存在一定量的水蒸气可防止碳的析出，水蒸气的热沉可降低对高温材料的技术要求，高气压(P>0.1Mpa)非平衡等离子体介于热等离子体及冷等离子体之间的一种非热等离子体，它通过高能电子对分子的振动激发来提高分子的振动能量，要比提高反应物的平衡温度来加快反应速度要有效的多，同时也可大大降低了***的能耗。

Claims (10)

1.一种爆轰波引射环道式磁流体发电***，特征包括，一个燃气磁流体闭路环道(1)，至少一个爆轰发动机(2)通过引射混合器(3)将爆轰燃气(8)喷人闭路环道(1)内，闭路环道(1)内串联设置至少一段磁流体发电单元(5)，磁流体发电单元(5)是由一个强电离放电非平衡等离子体发生器(6)和一段磁流体发电通道(7)组成，强电离放电非平衡等离子体发生器(6)在闭路环道中，即是离子源也是等离子体化学反应器；等离子体化学反应器(6)在闭路环道(1)中，在将高压原料气CH₄、CO₂和气态H₂O自热联合重整制合成气(CO+H₂)的同时，产生的强电离非平衡磁流体工质，高速通过串联的磁流体发电通道(7)，切割磁力线输出电能。

2.根据权利要求1所述爆轰波引射环道式磁流体发电***，其特征在于，燃气磁流体采用闭路循环，无需排气***。

3.根据权利要求1所述爆轰波引射环道式磁流体发电***，其特征在于，在环道(1)内通过串联的强电离放电非平衡等离子体化学反应器(6)，甲烷自热联合重整制合成气(CO+H₂)的转化率接近100％(由于气体内存在其他微量元素)。

4.根据权利要求1所述爆轰波引射环道式磁流体发电***，其特征在于，爆轰发动机(2)可以是脉冲爆轰发动机也可以是连续旋转爆轰发动机，所产生的爆轰燃气(8)都是通过引射混合器(3)喷人闭路环道(1)中，并在闭路环道(1)中吸入合成气(9)重复燃烧，形成压力梯度。

5.根据权利要求1所述爆轰波引射环道式磁流体发电***，其特征在于，磁流体发电单元(5)是由一个强电离放电非平衡等离子体化学反应器(6)和一段磁流体发电通道(7)所组成。

6.一种等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机(2)，其特征包括：发动机由两级爆轰热力循环组成，第一级、超声速等离子体预混合气在凹腔(13)内聚焦起爆，第二级、被引射合成气(9)在重复爆轰燃烧室(4)重新爆轰；其特征在于，爆轰管(12)的进气端环形喷口设有介质阻挡放电电极(11)和电极电源(14)，爆轰管(12)的排气端连接引射混合器(3)和重复爆轰燃烧室(4)。

7.根据权利要求6所述一种等离子体激波聚焦起爆重复爆轰发动机(2)，其特征在于，引射混合器可以为波瓣引射混合器(3)，重复爆轰燃烧室(4)有一个突扩截面。

8.一种高气压滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器(6)，特征包括，发生器由两级非平衡等离子体耦合强电离放电组成，第一级由介质阻挡强电离放电(16)(17)，产生强电离非平衡等离子体射流(20)；第二级是在两个相对喷射的非平衡等离子体射流(20)上重新导入一个强电场(18)(19)，在两射流相交处起弧重复放电；在气流(8)或磁场(7)的驱动下，电弧经历起弧到息弧的反复循环过程，可产生高气压滑移弧强电离放电非平衡等离子体(20)；经过两级耦合强电离放电折合电场强度E/n>350Td、电子平均能量Te>10Ev，产生的电子浓度>10¹⁶/cm³的强电离非平衡等离子体，而发生器工质温度仍在高温材料可承受的范围之内。

9.根据权利要求8所述一种高气压滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器(6)，其特征在于，第二级强电场电源(19)是由导入电极(18)传递给等离子体射流(20)。

10.根据权利要求8所述一种高气压滑移弧强电离放电非平衡等离子体发生器(6)，其特征在于，利用导电性良好的等离子体射流(20)作为放电电极。

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