RU32649U1 - Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy - Google Patents
Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy Download PDFInfo
- Publication number
- RU32649U1 RU32649U1 RU2003114632/20U RU2003114632U RU32649U1 RU 32649 U1 RU32649 U1 RU 32649U1 RU 2003114632/20 U RU2003114632/20 U RU 2003114632/20U RU 2003114632 U RU2003114632 U RU 2003114632U RU 32649 U1 RU32649 U1 RU 32649U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- magnetic circuit
- plates
- generator
- active sections
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
Description
Генератор прямого преобразования тепловой энергин в электрическуюGenerator of direct conversion of thermal energy into electrical
Полезная модель относится к области электроэнергетики, более конкретно, к генераторам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, использующих эффект потери магнитных свойств ферромагнетиков в точке Кюри в термомагнитных преобразователях, и может найти применение в мобильных и стационарных энергоустановках различной мощности и назначения.The utility model relates to the field of electric power industry, more specifically, to direct generators of thermal energy into electric energy, using the effect of the loss of magnetic properties of ferromagnets at the Curie point in thermomagnetic converters, and can be used in mobile and stationary power plants of various capacities and purposes.
Известен генератор прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащий простую замкнутую магнитную цепь, включающую намагничивающий участок, охваченный выходной обмоткой и активный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, так назьтаемый магнитный шунт из гадолиния, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла и последующего охлаждения (см. Прямое преобразование энергии. Пер. с англ, под редакцией Тимашева С.В и Литовского Е.И., изд. Мир, Москва, 1969 г., с.384).A known generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy, containing a simple closed magnetic circuit, including a magnetizing section, covered by an output winding and an active section with variable magnetic permeability, the so-called magnetic shunt of gadolinium, equipped with means for cyclic heat supply to it and subsequent cooling (see Direct energy conversion. Translated from English, edited by Timashev S.V. and Litovsky E.I., Mir, Moscow, 1969, p. 384).
Недостатком известного генератора является то, что индукция в постоянном магните в магнитной цепи в области выходной обмотки значительно меняется только при большой длине парамагнитного промежутка между полюсами магнита. Это приводит к использованию массивных магнитных шунтов, значительной тепловой инерции процесса и низкой эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую. Для гадолиния с температурой Кюри 16 С и массой шунта 50 - 100 г длительность процесса термического размагничивания магнитного шунта и последующего восстановления его магнитных свойств при теплоперепадах 6 - 100 С составляет десятки секзнд, а к.п.д. - доли процента.A disadvantage of the known generator is that the induction in a permanent magnet in the magnetic circuit in the area of the output winding changes significantly only with a large length of the paramagnetic gap between the poles of the magnet. This leads to the use of massive magnetic shunts, significant thermal inertia of the process and low efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy. For gadolinium with a Curie temperature of 16 C and a shunt mass of 50–100 g, the duration of the process of thermal demagnetization of the magnetic shunt and the subsequent restoration of its magnetic properties at heat differences of 6–100 C is tens of seconds, and the efficiency - fractions of a percent.
Наиболее б;шзким техническим решением является генератор прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, содержащий источник тепловой энергии, холодильник и термомагнитный преобразователь, включающий неподвижную магнитную цепь, одна из ветвей которой имеет намагничивающий участок и, по крайней мере, одна другая охвачена выходной обмоткой и имеет активный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла от источника тепловой энергии и отвода его в холодильник (см. авт. св. СССР № 48752, МКИ GO IN прототип).The most sophisticated technical solution is a generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy, containing a source of thermal energy, a refrigerator and a thermomagnetic converter, including a fixed magnetic circuit, one of the branches of which has a magnetizing section and at least one other is covered by an output winding and has an active section with variable magnetic permeability, equipped with means for cyclically supplying heat to it from a source of thermal energy and removing it to the refrigerator (see author St. USSR No. 48752, MKI GO IN prototype).
МКИ 7 H02N G21D MKI 7 H02N G21D
Известное устройство имеет неподвижный замкнутый Ш-образный магнитопровод, k средняя ветвь которого охвачена обмоткой намагничивания, соединенной с источником i питания постоянного тока, две боковые ветви магнитопровода имеют независимые и I соединенные электрически выходные обмотки, а активные участки магнитной цепи j. пронизаны продольными каналами для циклической подачи в них горячих и холодных газов от нагревателя и холодильника посредством насосов, системы клапанов и вспомогательных трубопроводов.The known device has a fixed closed Ш-shaped magnetic circuit, k the middle branch of which is covered by a magnetizing winding connected to a direct current power supply i, the two side branches of the magnetic circuit have independent and I electrically connected output windings, and the active sections of the magnetic circuit j. penetrated by longitudinal channels for cyclic supply of hot and cold gases into them from the heater and the refrigerator through pumps, valve systems and auxiliary pipelines.
Магнитопровод известного генератора и его активные участки выполнены за одно целое из электротехнической стали, имеющей температуру Кюри около 780 С, при этом длина и масса активных участков сравнимы с длиной и массой намагничивающего участка магнитной цепи. По этой причине нагрев активных участков магнитной цепи быстро приводит к нагреву остальных частей магнитопровода. Для уменьшения времени цикла нагрева активных участков магнитной цепи температура греющих газов должна превышать температуру Кюри на сотни градусов, а температура охлаждающих газов должна быть ниже ее также на сотни градусов.The magnetic circuit of the known generator and its active sections are made in one piece of electrical steel having a Curie temperature of about 780 C, while the length and mass of the active sections are comparable to the length and mass of the magnetizing section of the magnetic circuit. For this reason, heating of the active sections of the magnetic circuit quickly leads to heating of the remaining parts of the magnetic circuit. To reduce the heating cycle time of the active sections of the magnetic circuit, the temperature of the heating gases should exceed the Curie temperature by hundreds of degrees, and the temperature of the cooling gases should also be lower by hundreds of degrees.
При таких условиях и для описанной в прототипе конструкции устройства средняя температура всего магнитопровода, его обмоток и других систем генератора за небольшой промежуток времени установится на уровне около 800 С, что неприемлимо по соображениям надежности. В то же время значительная масса и теплоемкость магнитных щунтов не позволят снизить время цикла их перемагничивания до значений в доли секунды, делая проблематичным создание генератора, обладающего достаточно высокой эффективностью.Under such conditions and for the design of the device described in the prototype, the average temperature of the entire magnetic circuit, its windings and other generator systems will be set at about 800 ° C in a short period of time, which is unacceptable for reliability reasons. At the same time, the significant mass and heat capacity of magnetic shunts will not allow to reduce the cycle time of their magnetization reversal to values in a fraction of a second, making it difficult to create a generator with a sufficiently high efficiency.
Решаемой задачей является повышение надежности и эффективности генератора прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, использующего эффект термомагнитного преобразования энергии при изменении магнитных свойств ферромагнитных щунтов в магнитной цепи при их нагреве и охлаждении около точки 1Сюри.The problem to be solved is to increase the reliability and efficiency of the generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy, using the effect of thermomagnetic energy conversion when changing the magnetic properties of ferromagnetic shunts in a magnetic circuit when they are heated and cooled near point 1 of Suri.
Указанная задача решается тем, что в генераторе прямого преобразования тепловой и энергии в электрическую, содержащем источник тепловой энергии, холодильник и - термомагнитный преобразователь, включающий неподвижную магнитную цепь, одна из ветвей которой имеет иамагничивающий участок и, по крайней мере, одна другая охвачена выходной обмоткой и имеет аюгавный участок с изменяемой магнитной проницаемостью, снабженный средствами для циклического подвода к нему тепла от источника тепловой энергин и отвода его в холодильник, согласно полезной модели, магнитная цепьThis problem is solved by the fact that in the generator of direct conversion of thermal and energy into electrical energy, containing a source of thermal energy, a refrigerator and a thermomagnetic converter, including a fixed magnetic circuit, one of the branches of which has an magnetizing section and at least one other is covered by the output winding and has an augavas section with variable magnetic permeability, equipped with means for cyclically supplying heat to it from a source of thermal energy and removing it to the refrigerator, according to the field sultry model, magnetic circuit
XX
термомагнитного преобразователя выполнена разветвленной в плоскости или пространстве, содержит преимущественно две, три или четыре ветви с активными участками и общий намагничивающий з асток, причем части магнитной цепи с обеих сторон активных участков имеют увеличенное поперечное сечение и снабжены теплоизолирующими элементами, а сами активные участки термомагнитного преобразователя выполнены в виде набора пластин с изменяемой магнитной проницаемостью, установленных между частями магнитной цепи с увеличенным поперечным сечением в направлении магнитных потоков.the thermomagnetic converter is branched in a plane or space, it contains mainly two, three or four branches with active sections and a common magnetizing curtain, and the parts of the magnetic circuit on both sides of the active sections have an enlarged cross section and are equipped with heat-insulating elements, and the active sections of the thermomagnetic converter made in the form of a set of plates with variable magnetic permeability, installed between the parts of the magnetic circuit with an increased cross section in the direction of magnetic fluxes.
Кроме того, генератор может быть выполнен по схеме с постоянной полярностью магнитного потока, при этом его магнитная цепь может содержать одну ветвь с общим намагничивающим участком и преимущественно две или три ветви, снабженные выходными обмотками и активными участками с изменяемой магнитной проницаемостью.In addition, the generator can be made according to the scheme with a constant polarity of the magnetic flux, while its magnetic circuit can contain one branch with a common magnetizing section and mainly two or three branches equipped with output windings and active sections with variable magnetic permeability.
Кроме того, генератор может быть вьшолнен по схеме с переменной полярностью магнитного потока, при этом его магнитная цепь может содержать одну ветвь с общим намагничивающим участком, одну ветвь с общей выходной обмоткой и, по крайней мере, четыре ветви с активными участками с изменяемой магнитной проницаемостью.In addition, the generator can be executed according to the scheme with a variable polarity of the magnetic flux, while its magnetic circuit can contain one branch with a common magnetizing section, one branch with a common output winding and at least four branches with active sections with variable magnetic permeability .
Кроме того, активные участки магнитной цепи генератора могут быть выполнены из магнитных сплавов с температурой Кюри в диапазоне 15-800С в виде набора пластин толщиной 0,01 - 1 мм при отнощении высоты пластин к общей длине ветвей магнитной цепи в диапазоне 0,1-0,01, причем пластины могут быть установлены с зазором 1 - 10 мм для прохождения продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения.In addition, the active sections of the generator magnetic circuit can be made of magnetic alloys with a Curie temperature in the range of 15-800С in the form of a set of plates with a thickness of 0.01 - 1 mm with the ratio of the plate heights to the total length of the branches of the magnetic circuit in the range of 0.1-0 , 01, and the plates can be installed with a gap of 1 - 10 mm for the passage of the products of combustion of hydrocarbon fuel or other coolant in the heating cycle and the cooling medium in the cooling mode.
Кроме того, средство для циклического подвода тепла к активным участкам магнитной цепи термомагнитного преобразовате.)1Я может быть вьшолнено в виде импульсного ядерного реактора, содержащего неподвижные и подвижные докритические сборки, причем активные участки магнитной цепи термомагиитного преобразователя могут быть вьшолнены в виде наборов пластинчатых тепловыделяющих элементов из де.11ящегося материала, облицованных пластинами из магнитных сплавов с изменяемой магнитной проницаемостью, образующих неподвижные докритические сборки, установленные по окружности в ветвях магнитной цепи с зазорами для прохождения охлаждающей среды, а подвижные докритические сборки импульсного ядерного реактора при этом могут быть вьшолнены из делящегося материала с возможностью вращения и поочередного сближения с неподвижными докритическими сборками в магнитной цепи для их циклического нагрева и последующего охлаждения непрерывно прокачиваемым теплоносителем в период прекращения импульсной ядерной реакции.In addition, a means for cyclically supplying heat to the active sections of the magnetic circuit of the thermomagnetic converter.) 1J can be performed in the form of a pulsed nuclear reactor containing fixed and mobile subcritical assemblies, and the active sections of the magnetic circuit of the thermomagnetic converter can be executed in the form of sets of plate heat-generating elements from de.11 material, lined with plates of magnetic alloys with variable magnetic permeability, forming fixed subcritical failures The arms installed around the circumference in the branches of the magnetic circuit with gaps for the passage of the cooling medium, and the movable subcritical assemblies of a pulsed nuclear reactor can be made of fissile material with the possibility of rotation and alternating with stationary subcritical assemblies in the magnetic circuit for their cyclic heating and subsequent cooling continuously pumped coolant during the termination of the pulsed nuclear reaction.
Кроме того, намагничивающие участки магнитной цепи генератора могут содержать постоянные магниты, обмотку возбуждения, соединенную с источником питания, или сверхпроводящую обмотку возбуждения.In addition, the magnetizing portions of the generator magnetic circuit may comprise permanent magnets, an excitation winding connected to a power source, or a superconducting excitation winding.
Такое выполнение генератора позволяет в значительной степени повысить его надежность и эффективность термомагнитного преобразования тепловой энергии в электрическую при циклическом изменении магнитного сопротивления ферромагнитных шунтов в магнитной цепи путем их нагрева и охлаждения около точки Кюри.This embodiment of the generator allows to significantly increase its reliability and the efficiency of thermomagnetic conversion of thermal energy into electrical energy by cyclically changing the magnetic resistance of ferromagnetic shunts in the magnetic circuit by heating and cooling them near the Curie point.
Надежность генератора возрастает за счет эффективной тепловой защиты теплоизолирующими элементами магнитной системы, выходных обмоток, обмотки намагничивания и других систем генератора от циклически нагреваемых элементов магнитных шунтов. Кроме того, масса и теплоемкость активных участков магнитной цепи в предложенном устройстве имеют предельно низкие значения (менее 1% от массы магнитной системы), что позволяет сравнительно близко подойти к созданию генератора с рабочими частотами в несколько десятков герц. При этом повышается скорость коммутации или скорость изменения величины магнитного потока в магнитной цепи устройства и, следовательно, эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую и к.п.д. генератора.The reliability of the generator increases due to the effective thermal protection of the insulating elements of the magnetic system, output windings, magnetization windings and other generator systems from cyclically heated elements of magnetic shunts. In addition, the mass and heat capacity of the active sections of the magnetic circuit in the proposed device have extremely low values (less than 1% of the mass of the magnetic system), which allows a relatively close approach to creating a generator with operating frequencies of several tens of hertz. This increases the switching speed or the rate of change of the magnitude of the magnetic flux in the magnetic circuit of the device and, therefore, the efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy and efficiency generator.
Использование перспективных схем коммутации магнитного потока в предложенном генераторе, современных систем переключения потоков теплоносителей и новых источников тепловой энергии на основе импульсных ядерных реакторов для циклического перевода материала магнитных шунтов в парамагнитное состояние, в свою очередь, способствуют рещению задачи создания мобильных или стационарных генераторюв прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, обладающих сравнительно высокими эффективностью и ресурсом.The use of promising magnetic flux switching schemes in the proposed generator, modern systems for switching coolant flows and new sources of thermal energy based on pulsed nuclear reactors for cyclic transfer of material of magnetic shunts to the paramagnetic state, in turn, contribute to solving the problem of creating mobile or stationary generators of direct thermal conversion energy into electrical energy, having relatively high efficiency and resource.
Отношение высоты пластин активных участков магнитной цепи к общей длине ветвей магнитной цепи не должно превьщгать 0,1 из-за увеличения потоков рассеяния, увеличения массы и теплоемкости магнитных шунтов. Данное отношение также нецелесообразно снижать меньше 0,01 по причине неполной коммутации магнитных потоков.The ratio of the height of the plates of the active sections of the magnetic circuit to the total length of the branches of the magnetic circuit should not exceed 0.1 due to an increase in the scattering fluxes, an increase in the mass and heat capacity of the magnetic shunts. This ratio is also impractical to reduce less than 0.01 due to incomplete switching of magnetic fluxes.
Температура Кюри элементов активных участков магнитной цепи может находится в диапазоне 15 - 800 С для широко известных ферромагнитных металлов (гадолиний, никель, железо и их сплавы), причем превьшюние верхнего значения температур в значительной степени усложняет тепловую защиту магнитопровода и систем генератора, а нижняя граница температуры Кюри задана гадолинием.The Curie temperature of the elements of the active sections of the magnetic circuit can be in the range of 15 - 800 ° C for widely known ferromagnetic metals (gadolinium, nickel, iron and their alloys), and exceeding the upper temperature value greatly complicates the thermal protection of the magnetic circuit and generator systems, and the lower boundary Curie temperature is set by gadolinium.
Активные участки магнитной цепи могут быть выполнены в виде набора пластин высотой 5 - 100 мм и толщиной 0,01-1 мм, установленных преимущественно параллельно друг другу с зазором между ними 1-10 мм.Active sections of the magnetic circuit can be made in the form of a set of plates with a height of 5-100 mm and a thickness of 0.01-1 mm, mounted mainly parallel to each other with a gap between them of 1-10 mm.
Уменьшение высоты пластин магнитного шунта ниже 5 мм нецелесообразно как для генераторов малой, так и для генераторов большой мощности, а превышение их высоты более 100 мм приводит для большинства случаев реализации устройства к значительному рассеянию магнитных потоков.Reducing the height of the magnetic shunt plates below 5 mm is impractical for both small and high power generators, and exceeding their height more than 100 mm leads in most cases to a significant scattering of magnetic fluxes.
Толщину пластин, по соображениям технологичности, не следует снижать ниже 0,01 мм, а увеличивать более 1 мм нецелесообразно из-за ухудшения условий теплообмена с газовыми потоками.The thickness of the plates, for reasons of manufacturability, should not be reduced below 0.01 mm, and increasing more than 1 mm is impractical due to the deterioration of heat exchange conditions with gas streams.
Величина зазоров между пластинами магнитных шунтов выбрана оптимальной по соображениям снижения гидравлических потерь и сохранения условий теплообмена при прохождении в зазорах продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения.The size of the gaps between the magnetic shunt plates is chosen optimal for reasons of reducing hydraulic losses and maintaining heat transfer conditions when passing through the gaps of the combustion products of hydrocarbon fuel or other coolant in the heating and cooling medium cycle in the cooling mode.
Средства для циклического подвода к активным участкам магнитной цепи тепла от источника тепловой энергии и последующего охлаждения должны быть выполнены с возможностью их нагрева и охлаждения с фазовым смешением с частотами не менее 1-10 Гц, применяемых для специальных видов потребителей, и не более 40 - 60 Гц - по причине ограничений в осуществлении процессов высокоскоростного циклического теплообмена в магнитных шунтах и сложности системы переключения потоков теплоносителя.Means for cyclic supply to the active sections of the magnetic circuit of heat from a source of thermal energy and subsequent cooling should be made with the possibility of heating and cooling with phase mixing with frequencies of at least 1-10 Hz, used for special types of consumers, and not more than 40-60 Hz - due to limitations in the implementation of high-speed cyclic heat transfer processes in magnetic shunts and the complexity of the system for switching coolant flows.
На чертежах представлены: фиг.1 - схематический вид генератора с переменной полярностьюмагнитного потока; фиг.2 - сечение магнитного шунта; фиг.З схематический вид генератора с постоянной полярностью магнитного потока; фиг. 4 поперечное сечение генератора с нагревом активных участков магнитной цепи от импульсного ядерного реактора.The drawings show: FIG. 1 is a schematic view of a generator with a variable polarity of the magnetic flux; figure 2 is a cross section of a magnetic shunt; Fig. 3 is a schematic view of a generator with a constant polarity of the magnetic flux; FIG. 4 is a cross section of a generator with heating of the active sections of the magnetic circuit from a pulsed nuclear reactor.
Генератор с переменной полярностью магнитного потока (фиг.1) содержит неподвижный разветвленный в плоскости шихтованный магнитопровод 1 из электротехнической стали. Магниггопровод 1 имеет ветвь намагничивания 2, охваченную обмоткой намагничивания 3 и выходную ветвь 4, охваченную выходной обмоткой 5. Между ветвями 2 и 4 размещены четыре ветви 6 с размещенными в них активными участками 7, являюпщхся магнитными шунтами. Для охлаждения и нагрева активиых участков 7 установлены четыре входных 8 и четыре выходных 9 теплоизолированных патрубка, соединенных с холодильником и нагревателем (не показаны).A generator with a variable polarity of the magnetic flux (Fig. 1) contains a stationary, branched in the plane, a charged magnetic core 1 of electrical steel. Magnetic conduit 1 has a magnetization branch 2 covered by a magnetizing winding 3 and an output branch 4 covered by an output winding 5. Four branches 6 are placed between branches 2 and 4 with active sections 7 located in them, which are magnetic shunts. For cooling and heating of the active sections 7, four inlet 8 and four outlet 9 heat-insulated pipes connected to a refrigerator and a heater (not shown) are installed.
Части ветвей 6 магнитопровода 1, примыкающие к активным участкам 7, имеют увеличенное поперечное сечение в виде выступов 10. Позицией 11 обозначены смещенные во времени магнитные потоки в магнитопроводе 1, а позицией 12 обозначены потоки горячего и холодного теплоносителей, поступающих в патрубки 8.The parts of the branches 6 of the magnetic circuit 1 adjacent to the active sections 7 have an enlarged cross section in the form of protrusions 10. The position 11 denotes the time-shifted magnetic fluxes in the magnetic circuit 1, and the position 12 denotes the flows of hot and cold coolants entering the nozzles 8.
Каждый из четырех активных участков 7, сечение которого показано на фиг.2, содержит набор пластин 13, например, из никеля, установленных между частями 10 магнитной цепи с увеличенным поперечным сечением в направлении магнитных потоков 11. Тонкие пластины 13 установлены преимущественно параллельно друг другу, разделены зазорами 14 и снабжены керамическими пластинами 15 для тепловой изоляции основного магнитопровода 1 от воздействия потоков 12 теплоносителя. Магнитопровод 1 вблизи активных участков 7 имеет отверстия 16 для его охлаждения.Each of the four active sections 7, the cross section of which is shown in FIG. 2, contains a set of plates 13, for example, nickel, mounted between parts 10 of the magnetic circuit with an enlarged cross section in the direction of magnetic flux 11. Thin plates 13 are predominantly parallel to each other, separated by gaps 14 and provided with ceramic plates 15 for thermal insulation of the main magnetic circuit 1 from the effects of the coolant flows 12. The magnetic core 1 near the active sections 7 has openings 16 for cooling it.
Пластины 13 могут быть вьпюлнены из магнитных сплавов с температурой Кюри в диапазоне 15-800С, в данном случае они изготовлены из никеля с температурой Кюри 376 С. Толщина пластин для никеля выбрапа 0,4 мм при отнощении высоты пластин к общей длине ветвей магнитной цепи около 0,02. Зазор между пластинами 13 для прохождения продуктов сгорания углеводородного топлива или другого теплоносителя в цикле нагрева и охлаждающей среды в режиме охлаждения выбран около 1,5 мм.The plates 13 can be made of magnetic alloys with a Curie temperature in the range of 15-800C, in this case they are made of nickel with a Curie temperature of 376 C. The thickness of the plates for nickel is 0.4 mm, with the ratio of the plate height to the total length of the branches of the magnetic circuit about 0.02. The gap between the plates 13 for the passage of the products of combustion of hydrocarbon fuel or other coolant in the heating cycle and the cooling medium in the cooling mode is selected about 1.5 mm.
Для генератора мощностью около 1 кВт при рабочей частоте 50 Гц магнитопровод 1 из электротехнической стали имеет квадратное сечение со стороной около 6 см и длину каждой из ветвей около 20 см. Расстояние между частями магнитопровода 1 для размещения шунтов 7 составляет около 1,5 см (вместе с тепловой изоляцией). При указанных толщине пластин, зазоре между ними и количестве пластин около 150 шт размеры активного участка составят 15x200x60 мм.For a generator with a power of about 1 kW at an operating frequency of 50 Hz, the magnetic circuit 1 of electrical steel has a square cross section with a side of about 6 cm and a length of each branch of about 20 cm. The distance between the parts of the magnetic circuit 1 for accommodating shunts 7 is about 1.5 cm (together with thermal insulation). With the indicated plate thickness, the gap between them and the number of plates about 150 pieces, the dimensions of the active section will be 15x200x60 mm.
Генератор с постоянной полярностью магнитного потока, схематически показанный на фиг.З, имеет общую ветвь участка намагничивания 2 и общую обмотку намагничивания 3. Магнитоповод 1 генератора при этом содержит три ветви 4 с активными участками 7 и три выходные обмотки 5, соединенные с трехфазным потребителем выходной мощности (не показан). Соответственно каждый из активных участков 7 имеют по три входных 8 и по три выходных 9 патрубка для прокачки теплоносителей. Активные участки в таком генераторе вьшолнены в целом аналогично фиг.2.The generator with a constant polarity of the magnetic flux, shown schematically in FIG. 3, has a common branch of the magnetization section 2 and a common magnetization winding 3. In this case, the magnetic core 1 of the generator contains three branches 4 with active sections 7 and three output windings 5 connected to the output three-phase consumer power (not shown). Accordingly, each of the active sections 7 has three inlet 8 and three outlet 9 nozzles for pumping coolants. The active sites in such a generator are generally implemented similarly to FIG. 2.
Генератор с нагревом активных участков магнитной цепи от импульсного ядерного реактора (фиг.4) представляет собой поперечное сечение генератора по фиг.З в области его акгавных участков.A generator with heating of the active sections of the magnetic circuit from a pulsed nuclear reactor (Fig. 4) is a cross section of the generator of Fig. 3 in the region of its acgave sections.
В данном случае средство для циютического подвода тепла к активным участкам 7 магнитной цепи 1 термомагнитного пр еобразователя вьшолнено в виде импульсного ядерного реактора, содержащего неподвижные и подвижные докритические сборки. При этом активные участки 7 вьшолнены в виде наборов пластин 13 тепловыделяющих элементов из делящегося материала (обогащенный уран 235) облицованных пластинами из никеля или другого магнитного сплава, образующих в совокупности неподвижные докритические сборки, установленные по окружности в ветвях магнитопровода 1 с зазорами 14 между пластинами 13 для прохождения охлаждающей среды.In this case, the means for the optical supply of heat to the active sections 7 of the magnetic circuit 1 of the thermomagnetic converter is implemented in the form of a pulsed nuclear reactor containing fixed and mobile subcritical assemblies. The active sections 7 are filled in the form of sets of plates 13 of fuel elements from fissile material (enriched uranium 235) lined with plates of nickel or another magnetic alloy, which together form stationary subcritical assemblies installed around the circumference in the branches of the magnetic circuit 1 with gaps 14 between the plates 13 to pass the cooling medium.
Подвижные докритические сборки 17 импульсного ядерного реактора при этом выполнены из того же делящегося материала с возможностью вращения и поочередного сближения с наборами пластин 13 неподвижных докритических сборок в магнитной цепи 1 для их циклического нагрева и последующего охлаждения непрерывно прокачиваемым через патрубки 8, 9 теплоносителем в период прекращения импульсной ядерной реакции. Для привода подвижных частей импульсного ядерного реактора используются высокооборотный двигатель 18, система электронной и биологической защиты, система охлаждения сборки 15 и пр. (не показаны).The movable subcritical assemblies 17 of the pulsed nuclear reactor are made of the same fissile material with the possibility of rotation and alternating closeness with the sets of plates 13 of stationary subcritical assemblies in the magnetic circuit 1 for their cyclic heating and subsequent cooling continuously pumped through the pipes 8, 9 by the coolant during the termination period pulsed nuclear reaction. To drive the moving parts of a pulsed nuclear reactor, a high-speed engine 18, an electronic and biological protection system, an assembly cooling system 15, etc. (not shown) are used.
Генератор, показанный на фиг. 1, работает следующим образом.The generator shown in FIG. 1, works as follows.
Из источника горячего газа, например, газовой камеры сгорания (не показана), продукты сгорания с температурой около 1000 С поступают под избьггочным давлением через клапанные устройства (не показаны) одновременно в первый левый нижний и во второй правый верхний входные патрубки 8 (см. фиг.1) и, соответственно, в активные участки 7. При скорости газового потока 50 - 100 никелевые пластины 13 нагреваются за доли секунды от окружающей температуры до температуры около 397 С, что примерно на 20 градусов вьппе температуры Кюри никеля (377 С). Ферромагнитное состояние никелевых пластин магнитных шунтов при этом изменяется на парамагнитное.From a source of hot gas, for example, a gas combustion chamber (not shown), combustion products with a temperature of about 1000 ° C come under pressurized pressure through valve devices (not shown) simultaneously to the first left lower and second right upper inlet pipes 8 (see Fig. .1) and, accordingly, into active sections 7. At a gas flow rate of 50–100, nickel plates 13 are heated in fractions of a second from the ambient temperature to a temperature of about 397 C, which is about 20 degrees above the Curie temperature of nickel (377 C). In this case, the ferromagnetic state of the nickel plates of the magnetic shunts changes to paramagnetic.
Затем высокотемпературный газовый поток переключается системой клапанов на другую пару активных участков 7, а холодный теплоноситель, например, окружающий воздух с температурой 25 С через систему клапанов также под избыточным давлением поступает в патрубки 8 и нагретую пару активных участков 7 для их охлаждения до температуры около 357 С, при которой никель переходит обратно в ферромагнитное состояние. Указанный диапазон температур 40 С перехода никеля нз одного состояния в другое по известным источникам может быть уменьшен до 20 С.Then, the high-temperature gas flow is switched by a valve system to another pair of active sections 7, and a coolant, for example, ambient air with a temperature of 25 ° C, also passes through the valve system under pressure to nozzles 8 and a heated pair of active sections 7 to cool them to a temperature of about 357 C, at which nickel goes back to the ferromagnetic state. The specified temperature range of 40 C, the transition of nickel from one state to another, according to known sources, can be reduced to 20 C.
Последующие циклические переключения горячего и холодного газовых потоков через упомянутые активные участки 7 позволяют циклически с временным сдвигом 180 градусов переводить материал пластин 13 из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно. Такое изменение состояния магнитных шунтов 7 приводит к поочередной двухфазной коммутации магнитного потока от намагничивающего участка 2 в двух парах ветвей 4 и наведению в общей обмотке 5 электродвижущей силы, которая соединена с потребителем электроэнергии.Subsequent cyclic switching of hot and cold gas flows through the mentioned active sections 7 allows cyclically with a temporary shift of 180 degrees to transfer the material of the plates 13 from the ferromagnetic to the paramagnetic state and vice versa. Such a change in the state of the magnetic shunts 7 leads to alternating two-phase switching of the magnetic flux from the magnetizing section 2 in two pairs of branches 4 and inducing an electromotive force in the common winding 5, which is connected to the consumer of electricity.
Скорость перехода пластин 13 активного участка 7 (см. фиг.2) из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно при их поочередном нагреве и охлаждении прежде всего зависит от теплопроводности и скорости течения теплоносителя, а также от ряда других тепловых и гидродинамических характеристик теплоносителя. Для достижения указанного диапазона рабочих частот генератора в десятки Гц необходимо увеличивать скорость теплоносителя до многих десятков .The transition rate of the plates 13 of the active section 7 (see Fig. 2) from the ferromagnetic to the paramagnetic state and vice versa when they are alternately heated and cooled depends primarily on the thermal conductivity and flow rate of the coolant, as well as on a number of other thermal and hydrodynamic characteristics of the coolant. To achieve the indicated range of the generator operating frequencies of tens of Hz, it is necessary to increase the coolant speed to many tens.
Средняя температура активного участка 7 в установившемся рабочем режиме должна находиться вблизи температуры Кюри (для никеля 377 С), тогда как кратковременные скачки температур будут намного превышать среднюю. Для защиты основной части магнитной цепи, обмоток и других систем генератора от перегрева примыкающие к активным участкам 7 части 10 магнитной цепи снабжены керамическими пластинами 15, резко снижающими тепловой поток от горячих газов. Кроме того, примьпсающие части магнитопровода 1 снабжены отверстиями 16 для протока охлаждающей жидкости или газов.The average temperature of the active section 7 in the steady-state operating mode should be near the Curie temperature (for nickel 377 C), while short-term temperature jumps will be much higher than the average. To protect the main part of the magnetic circuit, windings and other systems of the generator from overheating, adjacent to the active sections 7 of the part 10 of the magnetic circuit are equipped with ceramic plates 15, which sharply reduce the heat flux from hot gases. In addition, the adjacent parts of the magnetic circuit 1 are provided with openings 16 for the flow of coolant or gases.
Трехфазный генератор, изображенный на фиг. 3, работает следующим образом.The three phase generator shown in FIG. 3, works as follows.
Продукты сгорания с температурой около 1000 С поступают под избьггочным давлением через клапанные устройства (не показаны) поочередно с фазовым сдвигом 120 градусов в первый, второй и третий входные патрубюн 8 и, соответственно, в активные участки 7. При скорости газового потока около 50 никелевые пластины 13 нагреваются от окружающей температуры до температуры около 397 С, что примерно на 20 градусов вьппе температуры Кюри никеля (377 С). Ферромагнитное состояние никелевых пластин магнитных шунтов при этом изменяется на парамагнитное.Combustion products with a temperature of about 1000 ° C come under gentle pressure through valve devices (not shown) alternately with a phase shift of 120 degrees into the first, second and third inlet nozzles 8 and, accordingly, into the active sections 7. At a gas flow rate of about 50, nickel plates 13 are heated from ambient temperature to a temperature of about 397 ° C, which is about 20 degrees above the Curie temperature of nickel (377 ° C). In this case, the ferromagnetic state of the nickel plates of the magnetic shunts changes to paramagnetic.
Одновременно с подачей высокотемпературного газового потока на указанные патрубки и активные участки 7 с фазовым смещением 120 градусов подается холодный теплоноситель, например, окружающий воздух с температурой 25 С через систему клапанов также под избыточным давлением для поочередного охлаждения первого, второго и третьего магнитных шунтов до температуры около 357 С, при которой никель переходит обратно в ферромагнитное состояние.Simultaneously with the supply of a high-temperature gas stream to these nozzles and active sections 7 with a phase shift of 120 degrees, a coolant is supplied, for example, ambient air with a temperature of 25 ° C through a valve system also under excess pressure to alternately cool the first, second and third magnetic shunts to about 357 C, at which nickel goes back to the ferromagnetic state.
Последующие циклические переключения горячего и холодного газовых нотоков через три упомянутые активных участка 7 позволяют циклически с временным сдвигом 120 градусов переводить материал пластин 13 из ферромагнитного в парамагнитное состояние и обратно. Такое изменение состояния магнитных шунтов 7 приводит к поочередной трехфазной коммутации магнитного потока от намагничивающего участка 2 в трех ветвях 4, охваченных обмотками 5, и наведению в них электродвижущей силы. Обмотки 5 известным образом соединены с трехфазным потребителем электроэнергии.Subsequent cyclic switching of hot and cold gas notes through the three mentioned active sections 7 allows cyclically with a temporary shift of 120 degrees to transfer the material of the plates 13 from the ferromagnetic to the paramagnetic state and vice versa. Such a change in the state of the magnetic shunts 7 leads to alternating three-phase switching of the magnetic flux from the magnetizing section 2 in the three branches 4, covered by the windings 5, and the induction of an electromotive force therein. The windings 5 are connected in a known manner to a three-phase consumer of electricity.
Теплоотдача от греющего и охлаждающего газов к пластинам 13 магнитного шунта 7. также как и рабочая частота генератора, возрастают при увеличении теплопроводности, скорости течения теплоносителя в зазорах 14, а также ряда других тепловых и гидродинамических факторов.The heat transfer from the heating and cooling gases to the plates 13 of the magnetic shunt 7. As well as the operating frequency of the generator, increase with increasing thermal conductivity, the flow rate of the coolant in the gaps 14, as well as a number of other thermal and hydrodynamic factors.
Генератор по фиг.4 работает в своей электрической части аналогично описанным выше (фиг.З). Тепловые и ядерные процессы в импульсном ядерном реакторе, включаюшем неподвижные 7 и вращающиеся с помощью двигателя 18 подвижные 17 докритические сборки в настоящее время достаточно подробно изучены и параметры его для быстрого нагрева магнитных шунтов, снабженных тепловьщеляющими элементами и совмещенных с ферромагнитными пластинами 13, легко рассчитать. Основным достоинством такого источника тепла можно считать очень высокую длительность работы без применения органического топлива, а недостатком - сложность систем управления и защиты, в том числе, биологической.The generator of FIG. 4 operates in its electrical part as described above (FIG. 3). The thermal and nuclear processes in a pulsed nuclear reactor, including stationary 7 and movable 17 moving 17 engine 17 subcritical assemblies have now been studied in sufficient detail and its parameters for the rapid heating of magnetic shunts equipped with heat-absorbing elements and combined with ferromagnetic plates 13 can be easily calculated. The main advantage of such a heat source can be considered a very high duration without the use of fossil fuels, and the disadvantage is the complexity of control and protection systems, including biological ones.
Мощность электрического генератора, вьшолненного по фиг. 1.3, рассчитывается по параметрам изменения магнитного потока в магнитопроводе и в выходной обмотке обычным образом (см. М.М.Кацман Электрические машины, 2-е изд., Москва, Высшая школа, 1990 г., с. 28). Э.д.с. в выходной обмотке при этом пропорциональна количеству ее витков, максимальному магнитному потоку и частоте перемагничивания магнитопровода или магнитных шунтов, то есть частоте коммутации магнитного потока. В свою очередь, как указьшалось, указанная частота есть прямая функция скорости теплообмена между теплоносителями и пластинами 13 магнитных шунтов 7. Таким образом эффективность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и к.п.д. генератора могут быть рассчитаны по указанным параметрам магнитной цепи и упомянутым характеристикам теплообмена.The power of the electric generator according to FIG. 1.3, is calculated by the parameters of the change in the magnetic flux in the magnetic circuit and in the output winding in the usual way (see M.M.Katsman Electric machines, 2nd ed., Moscow, Vysshaya shkola, 1990, p. 28). E.s. in the output winding, it is proportional to the number of turns, the maximum magnetic flux and the magnetization reversal frequency of the magnetic circuit or magnetic shunts, that is, the switching frequency of the magnetic flux. In turn, as indicated, the indicated frequency is a direct function of the heat transfer rate between the coolants and plates 13 of the magnetic shunts 7. Thus, the efficiency of the direct conversion of thermal energy into electrical energy and efficiency generators can be calculated according to the indicated parameters of the magnetic circuit and the mentioned heat transfer characteristics.
Параметры предложенного генератора могут быть также оптимизированы по тепловым, технологическим и электромагнитным характеристикам применяемых элементов. Предельные параметры такого генератора при импульсном нагреве пластин шунтов с помощью импульсного ядерного реактора и жидкостном охлаждении шунтов могут превысить сотни кВт при затратах, сравнимых с затратами на создание, например, термоэмиссионных генераторов на меньшие мощности.The parameters of the proposed generator can also be optimized for thermal, technological and electromagnetic characteristics of the elements used. The limiting parameters of such a generator during pulsed heating of shunt plates using a pulsed nuclear reactor and liquid cooling of shunts can exceed hundreds of kW at a cost comparable to the cost of creating, for example, thermionic generators at lower powers.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003114632/20U RU32649U1 (en) | 2003-05-21 | 2003-05-21 | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2003114632/20U RU32649U1 (en) | 2003-05-21 | 2003-05-21 | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU32649U1 true RU32649U1 (en) | 2003-09-20 |
Family
ID=36048246
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003114632/20U RU32649U1 (en) | 2003-05-21 | 2003-05-21 | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU32649U1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444802C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-03-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device of automatic control of power generator |
| RU2537394C1 (en) * | 2013-07-24 | 2015-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device for automatic control of power generator |
| RU2626412C1 (en) * | 2016-02-25 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Magnet-thermal generator for space ship |
-
2003
- 2003-05-21 RU RU2003114632/20U patent/RU32649U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444802C1 (en) * | 2010-10-05 | 2012-03-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device of automatic control of power generator |
| RU2537394C1 (en) * | 2013-07-24 | 2015-01-10 | Олег Фёдорович Меньших | Device for automatic control of power generator |
| RU2626412C1 (en) * | 2016-02-25 | 2017-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Magnet-thermal generator for space ship |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lindh et al. | Direct liquid cooling method verified with an axial-flux permanent-magnet traction machine prototype | |
| Wang et al. | Design, analysis, and experimental test of a segmented-rotor high-temperature superconducting flux-switching generator with stationary seal | |
| EP2143151B1 (en) | Device and method for converting energy | |
| EP2132793B1 (en) | Generator device and method | |
| EP2143152B1 (en) | Thermomagnetic generator device and energy converting method | |
| RU2692760C2 (en) | Superconducting electric motor and generator | |
| RU32649U1 (en) | Generator of direct conversion of thermal energy into electrical energy | |
| Nashine et al. | Design, in-sodium testing and performance evaluation of annular linear induction pump for a sodium cooled fast reactor | |
| US2510801A (en) | Method and apparatus for producing electrical and mechanical energy from thermal energy | |
| CN102611276B (en) | High-temperature liquid metal magnetic force driving pump | |
| CN110115104B (en) | Rotary induction heater with DC excitation device | |
| CN111225465B (en) | Superconducting induction heating device with mixed magnetic circuit | |
| US8575878B2 (en) | Energy converter | |
| KR20100044393A (en) | Superconducting motor having cooling device for armature coil | |
| Driscoll et al. | Development status of superconducting motors | |
| Zhou et al. | Thermal management of air-core stator for a large-capacity HTS motor | |
| US3405292A (en) | Magnetic flux path switching device wherein superconductive substances are utilized | |
| US3740593A (en) | Superconductive magnets used in magnetohydrodynamic devices | |
| RU2210839C1 (en) | Electrochemical thermomagnetic power- generating system | |
| US3363120A (en) | Magneto-hydro-dynamic generator employing a fluid at a non-uniform temperature | |
| RU2097946C1 (en) | Mechanical-to-thermal energy converter | |
| US3355608A (en) | Magnetohydrodynamic generator | |
| CN111315055B (en) | Mixed magnetic circuit superconducting induction heating device based on split iron core | |
| WO2011060627A1 (en) | Curie point oscillation generation method and device thereof | |
| JPS63213465A (en) | Electromagnetic flow coupler |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20040522 |