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Conduit générateur hydromagnétique à réchauffage continu.
La présente invention concerne des générateurs hydromagné- tiques et, plus particulièrement, des conduits générateurs à ré- chauffage continu pour ces générateurs hydromagnétiques.
Suivant la théorie de l'hydromagnétisme, une tension élec- trique est produite entre des électrodes sur des parois espacées d'un conduit dans lequel un fluide conducteur ou gaz ionisé est transporté et dans lequel un champ magnétique est établi transver- salement à l'intervalle entre les électrodes et au sens dans lequel circule le fluide. Cette théorie est un cas spécial de la théorie ' d'induction électromagnétique plus générale de Faraday: suivant laquel- - le une force électromotrice ou tension est induite dans un circuit
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électrique chaque fois que le flux magnétique qui couple le circuit change.
Ainsi qu'on le sait, dans des machines électromécaniques, la théorie de Faraday explique la production d'une tension dans des conducteurs en cuivre ou autre matière solide avec lesquels des couplages inductifs subissent continuellement des variations par ,; . le déplacement des conducteurs dans un champ de flux magnétique ou par le déplacement d'un champ magnétique par rapport au conducteur.
Dans un générateur hydromagnétique, un gaz ionisé ou un fluide conducteur en circulation joue le rôle d'un conducteur ou d'un agent de conduction en mouvement dans un champ de flux magnéti-: que, et un champ électrique ainsi qu'une tension correspondante sont produits dans le gaz en mouvement dans un sens déterminé par les règles directionnelles bien connues de l'induction électromagnétique.
Cette tension induite apparaît sur les électrodes précitées entre .lesquelles le gaz est conduit et, lorsqu'un circuit d'utilisation est connecté aux électrodes, du courant est produit et est mis en circulation dans le circuit fermé.
La tension produite ainsi que d'autres caractéristiques de fonctionnement obtenues au moyen d'un générateur donné peuvent être prévues avec un degré raisonnable de certitude. Par exemple, si on utilise du gaz ionisé comme fluide de travail conducteur, la tension et le courant produits dépendent de paramètres physiques (comprenant la conductibilité électrique, la température, la pres- sion et la vitesse) du gaz (qui peut comprendre des produits de combustion ainsi que des atomes actifs ou des molécules d'un élément à faible puissanc d'ionisation tel que du césium ou du potassium) et de la façon dont ces paramètres subissent dynamiquement des va- riations, en particulier lorsque le gaz circule dans le conduit générateur.
Le champ de flux magnétique et les propriétés physiques des matériaux de construction, tels que la perméabilité magnétique, la résistivité ou la conductibilité électrique et les caractéristi- ques température - résistance sont également des facteurs impor- tants dans la détermination de la tension et du courant. D'une manière plus générale, la nature d'un générateur hydromagnétique
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peut être analysée mathématiquement et cette analyse en termes de débit, de principes électromagnétiques et de thermodynamique peut être trouvée dans des comptes rendus de travaux de recherches et d'autres publications récentes.
'Lorsqu'on utilise une combustion pour obtenir le fluide de.travail conducteur ou gaz ionisé, il est intéressant au pon de vue efficacité, comme décrit dans le brevet n 634.924 de la Demanderesse, de prévoir un. réchauffage du fluide continu ou inter- mittent pendant que le fluide s'écoule dans le conduit générateur.
En effet la conductibilité électrique du fluide augmente en général d'une manière exponentielle avec la température du fluide et le réchauffage contrecarre donc la chute de température et la chute de . conductibilité dans le circuit, pour produire une meilleure densité de production de courant dans le conduit. De plus, si on réalise le réchauffage par une combustion prolongée dans le conduit lui-même, on réalise des gains de conductibilité électrique et de densité de
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.courant (courant produit par unité de volume: supérieurs à ceux qui peuvent être attribués à l'accroissement de temp ture seul, car, il se produit dans la ou les zones de combustion, un J étag J 'ionisation' déséquilibré dans lequel de nombreux électrons sont libère onme porteurs de courant.
Pour établir une combustion dans toute la longueur du con duit, il est préférable que le combustible (tel que du charbon pul- vérisé dans un véhicule approprié, du gaz naturel, de l'acétylène ou un autre hydrocarbure) et les composants oxydants du fluide dans le conduit soient mélangés d'une manière non homogène. De cette façon, on crée des zones de combustion dans les régions interfacia- les entre le combustible et l'oxydant et ces zones peuvents'éten- dre sur toute la longueur du conduit ou jusque un point situé en aval où le combustible oxydant est évacué.
On peut obtenir un mélange de fluide non homogène en in- jectant du combustible ou de l'oxydant dans le fluide du conduit à l'extrémité d'entrée du conduit ou en des points espacés le long de
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ce dernier. Par suite de la géométrie de température de fluide ré- sultante dans le volume de fluide du conduit, la température de tra- vail moyenne du fluide non homogène peut être supérieure à la limite permise pour un mélange de fluide homogène qui est fixée à des limi- tations de température de la matière du conduit, ce qui en soi est très favorable pour le rendement du générateur.
De plus, on a consta- té qu'à moins que.la non-homogénéité du fluide prenne une certaine forme, l'injection non homogène d'un combustible ou d'un oxydant peut; détruire au moins en partie les effets bénéfiques du réchauffage continu du fluide de travail parce qu'elle peut par exemple diminuer la conductibilité réelle du fluide.
La présente invention a pour but principal de procurer un générateur hydromagnétique, à réchauffage continu comportant des mo- yens pour mélanger d'une façon non homogène les constituants com- bustibles du fluide de travail d'une manière qui ne contrecarre pas' les effets souhaitables du réchauffage continu.
Celà étant, l'invention réside d'une manière générale dans . un générateur hydromagnétique à réchauffage continu comprenant un .. conduit présentant un passage allongé, des électrodes placées dans le passage et espacées les unesdes autres dans un séns latéral, des moyens pour établir un champ magnétique dans le passage dans un autre sens latéral transversal à l'intervalle entre les électrodes, un dispositif d'alimentation du fluide de travail servant à intro- duire dans le pa.ssage un mélange primaire d'un fluide de travail thermiquement ionisé par la combustion d'au moins deux constituants donnant ensemble une combustion, le mélange primaire contenant un des constituants en excès de la quantité requise pour assurer une com- bustion complète,
et un dispositif dïnjection pour injecter d'une manière non homogène l'autre %ou les autres constituants dans le mélange primaire afin d'assurer une combustion avec le premier constituant dans des zones de combustion latéralement espacées qui s'étendent au moins en substance en travers du passage et dans l'intervalle entre les électrodes.
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L'invention ressortira de la description d'une forme d'exécution préférée donnée ci-après, à titre d'exemple, avec réfé- rence au dessin annexé dans lequel: la Fig. 1 est unevue en perspective d'un conduit généra- , teur hydromagnétique suivant l'invention, dont certaines parties sont arrachées ; la Fig. 2 montre schématiquement un profil de température . dans une section du conduit de la Fig.l; et la Fig. 3 représente une partie d'une coupe longitudinale du conduit générateur de la Fig. 1.
D'une manière plus spécifique, les Figs. 1 et 3 représen- ; tent un conduit générateur hydromagnétique pour lequel sont prévus des moyens appropriés de produire un flux magnétique. Les moyens produisant le flux magnétique qui peuvent par exemple comprendre un aimant allongé placé autour du conduit 10 (dont une partie seule- ment est représentée) et comportant des enroulements magnétiques longitudinaux 11, ne font pas partie de la présente Invention et ne seront donc pas décrits en détail.
Quoique des conduits générateurs hydromagnétiques puissent être annulaires ou d'une autre forme, le conduit. représenté est de section en substance rectangulaire et comporte des parois exté- rieures en métal (non représentées) qui peuvent être convenablement refroidies. Des parois intérieures isolantes qui forment une gar- niture 12, en céramique ou en une matière résistant aux températu- res élevées et électriquement isolante telle que du zircone, ta- pissent de préférence, mais pas nécessairement, les parois extérieu- : res du conduit.
Des électrodes 14 (en borure de zirconium, par exemple) sont convenablement Montées sur les parois extérieures opposées du conduit 10 de manière à se faire face dans le passage de circulation' du fluide 16 qui s'étend dans le sens de l'axe de référence X.
L'intervalle entre les électrodes se mesure donc dans le sens
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de l'axe de référence Y perpendiculaire au sens de l'écoulement du fluide. De plus; un flux magnétique, indiqué par le chiffre ' ' 18, est produit par les -enroulements 11 dans le sens de l'axe de référence Z perpendiculairement au sens de l'écoulement du fluide et à l'intervalle entre les électrodes.
Les électrodes 14 peuvent être continues sur toute la longueur du conduit ou, comme le montre le dessin, elles peuvent comprendre des éléments espacés 20 ou 22 répartis le long du con- dait et ayant de préférence une dimension dans le sens de l'axe X qui relativement courte comparée à la dimension de l'interval- le entre les électrodes. Des connexions appropriées peuvent être effectuées entre les électrodes 14 et les bornes de circuit exté- rieures lorsque du courant est produit pendant le fonctionnement du-conduit générateur 10.
Le fluide de travail ou gaz ionisé comprend un mélange de '.fluide primaire comprenant des produits de combustion et un excès d'agent de combustion convenablement transporté d'une chambre de combustion 13 vers une partie d'extrémité d'entrée 24 du conduit .10, avec une vitesse d'entrée et une température appropriées pour pro- duire du courant dans le conduit 10. Le fluide primaire peut égale- ' ment comprendre des atomes ou molécules actifs injectés fortement ionisables, tels que des atomes ou des molécules de césium ou de ' potassium, de manière à améliorer le rendement de la production de courant dans le conduit 10.
Afin d'augmenter l'efficacité de la production de courant et la densité du courant dans le conduit 10, on prolonge la combustion tout le long du conduit et, à cet effet, on injecte un agent ou un constituant de combustion additionnel dans le courant circulant dans le conduit au moyen du dispositif d'injection 26. Cet agent additionnel est un combustible tel que de l'acétylène ou du charbon pulvérisé entrainé par de l'air ou des produits de combustion si le fluide de travail d'entrée contient un ; excès d'oxygène comme agent de combustion ainsi que les produits de combustion primaires, ou bien il peut être un oxydant tel que de
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l'air chaud si le fluide de travail d'entrée contient un excès de combustible comme agent de combustion.
Dans cet exemple de l'invention, le dispositif d'injection 26 comprend plusieurs lames 28 qui s'étendent dans l'intervalle entre les électrodes et qui sont placées près de l'extrémité d'en- trée 24 du conduit. Les lames 28 sont espacées les unes des autres dans le sens de l'axe Z ou latéralement dans l'intervalle entre les électrodès et chacune a une dimension relativement petite dans ce sens, de manière à entraver au minimum l'écoulement du fluide dans le passage 16 du conduit.
De plus, chaque lame 28 contient une chambre 30, de laquel- le un combustible ou un oxydant est injecté dans le courant primaire par un orifice ou une fente 32 qui s'étend de préférence le long de chaque lame 28 dans le sens de l'intervalle entre les électrodes.
Des moyens appropriés tels qu'une conduite d'alimentation 34 sont prévus pour transporter le combustible ou l'oxydant vers les chambres 30 des lames.
Si on suppose que le courant de fluide primaire'contient dans son mélange un excès d'air ou d'oxydant, on introduit du com- bustible dans les chambres 30 des lames et on le décharge dans.le passage 16 du conduit pour former des régions ou des strates de com- bustible 36 qui s'étendent vers l'aval dans le sans longitudinal-dû passage 16 du conduit dans une mesure déterminée par la vitesse dé décharge initiale du combustible par les fentes 32 des lames, le volume de combustible injecté et d'autres facteurs. Comme le fluide s'écoule vers l'aval dans les régions 36, la combustion se produit dans des régions interfaciales 38 entre les régions de combustible 36 et les régions du courant primaire 40.
Les dimensions des régions de combustible 36 diminuent comme indiqué par le chiffre 42 (Fig.3) vers l'aval car le combustible y contenu est consumé par la combus- tion pendant l'écoulement vers l'aval. Si-le fluide primaire entrant est riche en combustible au lieu d'oxydant, on introduit un oxydant tel que de l'air dans les chambres 30 des lames et la combustion
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se produit vers l'aval ou dans le sens de l'axe X dans-le passage
16 du conduit d'une manière semblable à celle décrite lorsque l'agent ) de combustion injecté est du combustible.
Chaque région 36 s'étend de préférence en substance sans interruption entre les électrodes 20 et 22 de sorte qu'on peut obtenir une production de courant maximum de la conductibilité élec- trique élevée ou améliorée qui existe dans les régions interfaciales ou zones de combustion 38. De plus, les zones de combustion 38 sont de préférence espacées de la garniture 44 des parois latérales du conduit.
On peut aussi maintenir la température de travail moyenne du mélange de fluide non homogène dans le passage 16 du conduit à un niveau supérieur à la limite de température supérieure de la matière céramique ou autre formant la garniture 44 des parois laté- rales. Cette limite de température supérieure pour la matière des parois latérales existe lorsque les fuites de courant des parois latérales deviennent excessives ou lorsque l'intégrité structu- ' relle de la matière est soumise à' des détériorations thermi-, ques.
Ainsi, comme le montre la Fig. 2, par un profil de tempé- rature établi transversalement dans le passage 16 du conduit dans le sens de l'axe Z, la température moyenne 46 peut être légèrement supérieure à la température 48 des parois latérales. Comme la con- ductibilité électrique du fluide augmente d'une manière en substance exponentielle. avec la température, il est clair que même une légère augmentation de la température moyenne du fluide (par exemple 4500 à 46000F ou 2482 à 2538 C)a peu d'effet sur la production de courant.
Cet avantage de la production de courant s'ajoute à celui obtenu. de la meilleureconductibilité électrique existant dans les zones de combustion 38.
Les lames 28 peuvent être faites d'une plaque métallique refroidie par de l'eau ou par d'autres moyens et revêtues d'une matière déramique telle que du zircone, semblable à celle décrite
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dans le brevet de même date de la Demanderesse intitulé" Conduits, générateurs hydromagnétiques à réchauffage continun.
D'autre part, le dispositif d'injection 26 peut comprendre plusieurs ajutages (non représentés) espacés les uns des autres sur la surface supérieure ou la surface inférieure du passage 16 du conduit. Ces ajutages sont latéralement espacés dans le passage 16 du conduit d'une manière semblable à l'écartement entre les lames 28 et,de plus, ces ajutages peuvent être disposés en plusieurs rangées espacées le.long du passage 16 du conduit. Ce dispositif d'injection peut particulièrement être utilisé avec du combustible liquide parce que' ce combustible peut être injecté dans le passage 16 du conduit dans l'intervalle entre les électrodes, sous forme d'un jet, dans une mesure déterminée par la vitesse d'injection initiale et la section des ajutages.
Les ajutages situés en aval peuvent injecter le combustible dans des mesures successivement moindres, de sorte que la section du passage 16 du conduit près de la rangée d'ajutage la plus éloignée en aval contient une géométrie de fluide non homogène semblable à celle représentée sur la Fig. 1.
En fonctionnement, on peut modifier les paramètres du gé- nérateur de façon que la vitesse à 'laquelle la chaleur est dégagée par la combustion dans le passage 16 du conduit soit en substance égale à la vitesse à laquelle de la chaleur est absorbée ou utilisée pour produire de l'énergie électrique. De cette manière, l'écoule- ment du fluidè dans le passage 16 du conduit peut être en substance isothermique, car la température du fluide de sortie peut être main- tenue en substance égale à la température du fluide d'entrée. La densité de courant produite peut ainsi être maintenue en substance uniforme sur toute la longueur du conduit générateur 10, ce qui . améliore l'efficacité du'générateur et la densité du courant.
Par exemple, sans un réchauffage continu réalisé par une combustion dans' le conduit 10, on obtient fréquemment une chute de température du fluide de 200 F ( 111 C) sur la longueur du conduit pendant le fonctionnement et, dans ce cas, la densité du courant peut tomber
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d'un facteur de trois sur la longueur du conduit* Ainsi, sans l'ef- fet de réchauffage de la combustion dans le conduit 10, le rendement. : ou Inefficacité du générateur diminue vers l'aval, tandis que, avec une combustion dans le conduit, le rendement ou l'efficacité du générateur est maintenu en substance constant sur toute la longueur du conduit.
En résume, le rendement amélioré du générateur obtenu grâce à la présente invention comprend les gains de courant ou de puissance obtenus grâce au maintien de la température le long du conduit, les gains de puissance obtenus par une température de fluide
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"" :::":Qyenne relativement accrue, et les gains de puissance obtenus par 1a 4;.ure conductibilité des zones de combustion 38. En ce qui cncei?amlioxatào:a obtenue grâce aux zones de combustion à meil- leurt,- ^î, t3b.3.ité électrique un simple calcul permet de prédire l'amélioration de la conductibilité électrique du fluide dans le conduit. insi, des produits de combustion, du combustible non brûlé et des flammes combustion forment le fluide non homogène dans'le conduit.
La contribution de conductibilité fournie par chacune des régions peut être ajoutée pour déterminer la conductibilité réelle par comparaison avec la conductibilité qui existerait dans'le passage 16 du conduit s'il n'était complètement rempli que de produits de combustion. Les calculs théoriques montrent que, dans la région de température comprise entre 2500 et 3000 K, une augmentation de température de 500 C augmente la conductibilité électrique des pro- duits de combustion actifs d'un facteur d'environ sept.
Si on suppose que la température du gaz dans la zone de combustion est d'environ 500 C supérieure à celle de la zone des produits de combustion et que le combustible non brûlé ne contribue pas à la conductibilité, le conduit utilisant le mélange non homogène peut présenter une conductibilité réelle d'au moins 2e5 fois celle d'un conduit rempli , complètement de produit de combustion.