Энергетические МГД-установки со сверхкритическим электропроводным рабочим телом

Статья первоначально была размещена на ресурсе habr.com.

Однако, в силу неизвестных автору причин, через некоторое время в ней перестали отображаться иллюстрации (отображаются только при использовании VPN), так что данную статью можно теперь рассматривать как авторский материал и первоисточник.

Хотелось бы поделиться с уважаемым сообществом некоторыми идеями, которые уже привели к получению патента РФ на изобретение, и позволяют создать эффективную энергоустановку без механически движущихся частей.

Несколько лет назад, я увидел на YouTube видео, описывающие прибор под названием Fluidyne. По сути, это двигатель Стирлинга, в котором используется жидкий поршень, совершающий колебательные движения в процессе работы.

Такой прибор может быть реализован и в многоступенчатом варианте:

^{Двухступенчатый Fluidyne, нагруженный холодильником.}

Первой мыслью, когда я увидел это устройство, было –

«а не прикрутить ли к ней МГД-генератор, заменив жидкость на электропроводную, например – NaK эвтектику?! »

Идея, в принципе, реализуемая – но с рядом критических недостатков – в частности, мешает высокое внутреннее трение в жидкости, снижающее общий кпд, ограниченная рабочая частота (инерционные силы в жидком поршне, вызывающие отрыв капель), и возможность работы этой установки только в горизонтальном положении в поле силы тяжести, т. к. в противном случае возможен перелив жидкости между секциями.

Несмотря на то, что был ряд идей по улучшению такой конструкции (например, размещение жидкого поршня в частично смачиваемых капиллярах (см. рисунок) – что могло бы обеспечить работу установки в произвольном положении, в т. ч. в невесомости, эта схема не казалась мне перспективной, и пытаться патентовать её я не спешил.

^{частично смачиваемый капилляр}

Некоторое время спустя, тут на Хабре я встретил статью (с Хабра она по неизвестным причинам пропала, но сохранилась в других источниках) о сборке многосекционного кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга, по сути – тот же Fluidyne, но без жидкого поршня, т.е. колебания возбуждаются непосредственно в рабочем теле.

^{Действующий образец кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга}

Однако, в таком аппарате предполагалось возможность вывода полезной работы из цикла только механическим путем, например с помощью двунаправленной импульсной турбины или линейного альтернатора.

Хотя в комментариях проскакивала идея использовать ионизированный газ как рабочее тело, и применить МГД-преобразование, при этом ионизацию рабочего тела обеспечить путем размещения установки внутри ядерного реактора, являющегося заодно и источником теплоты. Неплохая идея, но сильно ограничивает спектр возможных применений )

Собственно, на данный момент, в технике есть два довольно развитых направления МГД преобразования – установки, использующие жидкие металлы (в основном, это насосы на различных литейных производствах), и установки на неравновесной плазме с легко ионизирующимися присадками (обычно на базе щелочных металлов). С жидкометаллическими МГД-генераторами основная сложность заключается в разгоне рабочего тела (что приводит к общей низкой эффективности), у плазменных установок – низкий ресурс МГД-канала (т. к. плазма штука весьма горячая и агрессивная к конструкциям), также есть некоторые сложности и с возвратом присадки в цикл.

Хотя в литературе встретился и довольно интересный вариант, где энергия колебаний газа термоакустического Стирлинга передаётся жидкометаллическому поршню, подвешенному в магнитом поле, а колебания этого поршня вызывают изменение поля в катушке, что и позволяет выводить энергию из цикла индукционным способом. Однако, это устройство, на мой взгляд, ограничено малыми мощностями (сложность обеспечения удержания левитирующего поршня, только термоакустический цикл).

Однако, зерно идеи уже запало в голову, и как-то раз пришло озарение – а что, если использовать в качестве рабочего тела электропроводный сверхкритический флюид? Ведь сверхкритический флюид, в отличии от жидкости, сжимаем (а значит, может быть рабочим телом в термодинамическом цикле), и, в отличии от газов – может быть проводником.

Оставалось только найти подходящий вариант такого флюида. Первой мыслью было поискать что-то, растворяющееся в сверхкритической углекислоте (самый распространённый и хорошо освоенный на данный момент СКФ) , однако простых вариантов с высокой электропроводностью обнаружить не удалось.

Дальнейший поиск дал результат – оказывается, ещё в 70х годах, было обнаружено, что сверхкритические растворы щелочных металлов в аммиаке (и аминах) – сохраняют довольно высокую электропроводностью и в СКФ-состоянии. Бинго!

^{“Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы” «Наука», 1971 УДК 533.9.15, стр.282}

Или, более актуальных единицах системы СИ:

Что примерно на два порядка лучше, чем электропроводность неравновесной плазмы инертных газов с присадкой цезия (до 300 См/м).

Таким образом, применяя данное рабочее тело, можно реализовать устройства прямого МГД-преобразования теплоты в электроэнергию, как на базе цикла Брайтона, том числе, и с регенеративным теплообменником, так и на базе термоакустического цикла Стирлинга.

КПД, в данном случае, определяется потерями на внутреннее трение в рабочем теле (в СКФ они больше чем в газе, но меньше, чем жидкости), перепадом температур нагревателя (аммиак начинает распадается при 1500С, т. е. выше нагреть не выйдет) и охладителя (критическая точка аммиака около 130С и примерно 115 атмосфер), и проводимостью рабочего тела. Но, к сожалению, я не настолько дружу с физикой, что бы его посчитать :(

Надеюсь в этом вопросе на содействие сообщества)

Ниже приведены несколько возможных вариантов реализации таких установок:

Схема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона, с индукционным компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)

патенСхема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона с регенерацией теплоты, с кондукционным цетробежным МГД-компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)

Схема трехступенчатого термоакустического генератора с кондукционным МГД-генератором в одной из ступеней, объединенных общим резонатором (вид сбоку, разрез)

Есть некоторые нюансы с постепенным разложением аммиака (через образование амида натрия и его последующим разложением в горячем теплообменнике) на азот и водород, но в установках периодического действия – они, на мой взгляд, вполне решаемы охлаждением рабочего тела до докритического состояния, отводом газовой фазы, и пополнением контура жидким аммиаком .

Дальнейшее довольно тривиально – оторвать кусочек от семейного бюджета, и подать патентную заявку на способ, и отдельные варианты устройств для его осуществления.

Потом более чем полгода ожидания и переписки с Роспатентом, с доказыванием экспертизе, что это не вечный двигатель (и кто-то плохо учил физику в школе) – и патент на руках.

Первоначальный отказ в выдаче патента, с обоснованием от экспертизы:

^{избранные моменты из переписки с экспертизой :)}

^{Избранные моменты переписки, ч.2 - отказ в выдаче патента}

Ответы автора экспертизе:

^{Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.}

^{Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.}

^{Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.}

Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.

И результат:

Мелочь, но приятно)

К сожалению, в процессе патентования в РФ, желающих профинансировать зарубежные патентные заявки не нашлось, как и собственных средств на это, так что в прочих странах – эта идея теперь доступна к практической реализации всем желающим.

То же касается и практической реализации – заинтересантов найти не удалось... Надеюсь, статья на Хабр тут может помочь)))

Автор готов к сотрудничеству с любым, кто возьмётся за практическую реализацию данной идеи, как в РФ, так и за рубежом.

Потенциальный спектр применения крайне широк – это энергетические установки с практически неограниченным ресурсом, произвольной мощности (от домашнего CHP на пару киловатт, до сотен мегаватт и более), бесшумные (кто-то подумал про подводные лодки? :)...

Возможно сопряжение с различными типами источниками теплоты (от солнечного коллектора, до топки на дровах или ядерного реактора, в т. ч. прямо внутри корпуса реактора), с возможностью использования в космосе (т. к. не требуется наличие поля силы тяжести).

В завершение, хотелось бы высказать благодарность альма-матер ЛКИ (ныне СПбГМТУ), где все же умудрились научить раздолбая студента основам термодинамики (несмотря на стойкое сопротивление) и почтить память Фасолько Оскара Юльевича, только благодаря которому я все же закончил этот прекрасный ВУЗ с квалификацией «Морской инженер».

Ссылка на патент:

Патент РФ 2806344

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

P.S.: В комментариях подсветили возможную проблему с предлагаемым рабочим телом - весь натрий из раствора рано или поздно перейдет в амид натрия. И, несмотря на то, что в реальной установке возможна регенерация рабочего тела, этого желательно избежать.

Однако, похоже, есть способ ингибировать образование амида. 

Так как электропроводность натрий-аммиачных растворов обеспечивается сольватированными электронами, существует принципиальная возможность связать ионы натрия в этом растворе в комплекс, при помощи равного натрию мольного количества кроун-эфира. Полагаю, при этом образование амида может существенно снизиться, если не прекратиться полностью.

Описанный выше процесс происходит при получении электридов, но в данном случае достаточно первого этапа - т.е. образования комплекса кроун-эфир/натрий. 

При растворении металлического натрия в жидком аммиаке происходит сольватация ионов (так же, как при растворении NaCl в воде). Сольватирующий растворитель — жидкий аммиак. В растворе образуются катионы Na⁺, и анионы — сольватированные аммиаком электроны е⁻ (если полученный раствор испарить, то аммиак легко удалится при комнатной температуре, электрон вернётся к иону натрия, и вновь получится исходный металлический натрий).

Na⁰ + NH₃ (жидк.) = Na⁺ (NH₃)_n + е⁻ (NH₃)_m

Для получения электрида в полученный раствор натрия в жидком аммиаке добавляют краун-эфир, причём такой, который хорошо сольватирует именно катион натрия, при этом соблюдают мольное отношение краун-эфир/натрий = 1/1. Затем аммиак испаряют, электрон не сможет вернуться к натрию, поскольку катион Na⁺ плотно заблокирован краун-эфиром. В результате образуется вещество, у которого в кристаллической решётке находятся ионы натрия, укрытые краун-эфиром, а в межкристаллическом пространстве располагаются свободные, не сольватированные электроны, (краун-эфир сольватирует только катионы натрия).

Благодаря исключительно малым размерам электроны в таком соединении могут свободно перемещаться в межкристаллическом пространстве, соединение приобретает довольно высокую электропроводность, близкую к металлам.

https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Электриды