CZ14827U1 - Tepelný reaktor pracující v oblasti spektra infračerveného záření, jehož primárním zdrojem energie je vysokoteplotní plazma - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká tepelného reaktoru pracujícího v oblasti spektra infračerveného záření, jehož primárním zdrojem energie je vysokoteplotní plazma a který je určen ke konverzi tepelné energie o velmi vysoké teplotě na energii mechanickou prostřednictvím běžně používaných tepelných strojů.

Dosavadní stav technikv

Z českého užitného vzoru CZ 14621 U je znám tepelný reaktor, jehož finálním produktem je elektromagnetické záření v oblasti infračerveného spektra emitované vnější stěnou ochranné bariéry do vnějšího prostoru reaktoru, kde je toto infračervené záření jímáno teplosměnnými plochami běžně užívaných tepelných strojů sloužících k výrobě elektrické energie prostřednictvím generátorů. Primárním energetickým zdrojem tepelného reaktoru je zářivá energie získávaná z různých zdrojů umístěných uprostřed dutiny tělesa reaktoru. Těleso ochranné bariéry je vyrobeno z keramických materiálů vyznačujících se žáruvzdornými vlastnostmi. Ke stavbě tělesa bariéry je možno použít systém sendvičové konstrukce o libovolné síle mezivrstev s meziprostory vyplněnými například sypkým materiálem nebo mezidutinami. Důležitá je žáruvzdornost vnitřního povrchu bariéry, který je nejvíce zatížen vysokou teplotou. Lze použít keramické materiály, jako například mullit s dostatečnou pevností a žáruvzdorností až do 1 700 °C. Ještě odolnější jsou oxidové keramiky, což je obecné označení slinutých oxidů s vysokou žáruvzdorností, které se zpracovávají keramickou technologií. Patří sem keramika berylnatá do teploty 2 200 °C, zirkoničitá do teploty 2 300 °C, periklasová do teploty 2 200 °C a korundová nad 1 300 °C. V každém případě existuje určitá hranice teploty, která limituje maximálně dosažitelnou energetickou hustotu zářivé energie ve vnitřním prostoru tepelného reaktoru

Dále existují energetické zdroje, které dosahují velmi vysokých teplot. Lze uvést například generátory plazmy, ve kterých dosahuje teplota řádově několik desítek tisíc °C. Např. firma Vortex Industries in Vancouver, Canada, vyvinula lampu, která vytváří kontinuální proud světla prostřednictvím plazmy o teplotě cca 12 000 °K, tedy více než dvojnásobek teploty existující na povrchu slunce, tj. 5 800 °K. Proto je tato lampa nazývána Artificial Sun a je popsána v publikaci Popular Science, February 1991. Umístíme-li před tuto lampu kousek oceli, po zapnutí lampy se tato ocel okamžitě roztaví. Tato lampa nahrazuje v mnoha případech používání laseru za podstatně ekonomičtějších podmínek.

Ve vědecké oblasti se pracuje na vývoji dalších zdrojů, které by měli v budoucnu poskytovat vysokoteplotní potenciál, jako je například využití sonoluminiscence, studené fuze a další. Nevýhody výše uvedených vysokoenergetických zdrojů tepla spočívají především v tom, že prakticky žádný z nich nemůže být použit k výrobě elektrické energie v běžně používaných tepelných strojích standardních konstrukcí, protože by došlo k jejich okamžitému zničení.

Cílem technického řešení se stává realizace dalšího vývojového stupně tepelného reaktoru, který by umožňoval konverzi tepla z výše uvedených vysokoenergetických zdrojů na mechanickou resp. elektrickou energii s vysokou účinností a výkonem, u něhož je oproti zařízení popsaném v užitném vzoru CZ 14621 U využito výše uvedených plazmatických zdrojů tepla o velmi vysoké energetické hustotě a teplotě zároveň s cílem dosažení trvalého provozu procesu konverze této energie na nízkopotenciální infračervené záření, vhodné pro pohon běžně užívaných tepelných strojů k výrobě mechanické energie. Podrobný popis fyziky plazmy a jejího ovládání je popsán v publikaci Energie pro 21.století, Heřmanský, Štoll, ČVUT 1992, ISBN 80-01-008817-7.

-1 CZ 14827 Ul

Podstata technického řešení

Shora uvedené nevýhody odstraňuje a účel technického řešení ve velké míře splňuje tepelný reaktor pracující v oblasti infračerveného záření, jehož primárním zdrojem energie je vysokoteplotní plazma, sestávající z uzavřeného válcového prostoru tepelného reaktoru odděleného od vnějšího prostoru nejméně jednou ochrannou bariérou ve formě skruže, na jejíž vnější straně příslušející vnějšímu prostoru je okolo celé její válcové vnější plochy umístěna soustava na sebe navazujících jednotlivých segmentů kompoudních tepelných pohonných jednotek opatřených přijímacími fokusačními poli, případně jiných teplosměnných ploch příslušejících jiným tepelným strojům, podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že v uzavřeném válcovém prostoru tepelného reaktoru ohraničeném ochrannou bariérou je otočně podle osy uloženo rotační válcové těleso reaktoru opatřené na své vnější válcové ploše tepelněabsorbčním pláštěm a protilehlými podstavnými izolačními stěnami, přičemž mezi vnější plochou tepelněabsorbčního pláště a vnitřní plochou ochranné bariéry je vytvořena tepelná interakční mezera a přičemž uvnitř rotačního válcového tělesa reaktoru je umístěn plazmatický zdroj, na jehož výstup generovaného plazmatu je napojen kónický divergenční kanál kuželového tvaru a/nebo kónický divergenční kanál konvexního tvaru, jehož výstupní zóna je přivrácena k vnitřní ploše ochranné bariéry vytvářející tak aktivně ohřívanou zónu ochranné bariéry a přičemž vnitřní kónické plochy divergenčního kanálu kuželového tvaru i vnitřní kónické plochy divergenčního kanálu konvexního tvaru jsou opatřeny magnetickou čočkou. Rotační válcové těleso reaktoru je s výhodou tvořeno keramickým porézním materiálem a magnetická čočka je tvořena soustavou elektromagnetů opatřenou přívodem elektrické energie magnetické čočky.

Výhody provedení tepelného reaktoru podle technického řešení spočívají především v tom, že celé zařízení je konstruováno bez použití běžné infrastruktury, jako jsou potrubní rozvody a příslušná periferní zařízení, kde přenos tepelné energie se děje pouze prázdným prostorem a bez pracovního média pracujícího pod tlakem, což ve svém důsledku výrazně zvyšuje bezpečnost zařízení a snižuje jeho poruchovost, například ve srovnání s běžnými konstrukcemi reaktorů atomových elektráren.

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 je v příčném řezu znázorněno příkladné provedení tepelného reaktoru podle technického řešení, kde je v rotačním válcovém tělese vytvořen kónický divergenční kanál kuželového tvaru napojený na výstup plazmatického zdroje.

Obr. 2 představuje v příčném řezu provedení tepelného reaktoru, kde je alternativně v rotačním válcovém tělese vytvořen divergenční kanál konvexního tvaru.

Obr. 3 představuje ve svislém řezu provedení tepelného reaktoru s kónickým divergenčním kanálem kuželového tvaru odpovídajícímu obr. 1 a obr. 4 znázorňuje ve svislém řezu alternativní provedení kónického divergenčního kanálu konvexního tvaru.

Příklad provedení technického řešení

Na obr. 1 je v uzavřeném válcovém prostoru I tepelného reaktoru patrné rotační válcové těleso 5 reaktoru, v jehož středové dutině je umístěn plazmatický zdroj 6 s výstupem 6.1 generovaného plazmatu. Na výstup 6.1 generovaného plazmatu navazuje divergenční kanál 5.3 kuželového tvaru, proti jehož výstupní zóně 6.2 divergenčního kanálu je patrná aktivně ohřívaná zóna 3 ochranné bariéry, která je částí ochranné bariéry 4 obklopující rotační válcové těleso 5 reaktoru ve tvaru prstence. Mezi vnější plochou rotačního válcového tělesa 5 reaktoru opatřenou tepelněabsorbčním pláštěm 5.1 a protilehlou vnitřní plochou ochranné bariéry 4 je vytvořena interakční mezera 5.2 a protilehle k vnější ploše ochranné bariéry 4 jsou přivrácena přijímací fokusační pole 7 teplosměnných ploch 7.1 kompoudních tepelných pohonných jednotek, případně jiných tepelných strojů, které jsou situovány ve vnějším prostoru 2. Divergenční kanál 5.3 kuželového tvaru je na svých stěnách opatřen magnetickou čočkou 54·

-2CZ 14827 Ul

Obr. 2 představuje alternativní provedení rotačního válcového tělesa 5 reaktoru s divergenčním kanálem 5.3.1 konvexního tvaru.

Obr. 3 znázorňuje rotační válcové těleso 5 reaktoru s tepelněabsorbčním pláštěm 5.1 a s divergenčním kanálem 5.3 kuželového tvaru opatřeným magnetickou čočkou 5.4, kde jsou patrné protilehlé podstavné izolační stěny 5.5, 5.6. V ose o reaktoru prochází protilehlou podstavnou izolační stěnou 5.5 přívod 9 plynu plazmatického zdroje 6 do vnitřně umístěného plazmatického zdroje 6 a v těsné blízkosti je umístěn elektrický přívod 8 plazmatického zdroje 6 a elektrický přívod 8.1 magnetické čočky. K vnější ploše tepelněabsorbčního pláště 5.1 rotačního válcového tělesa 5 reaktoru je přivrácena vnitřní plocha ochranné bariéry 4 s vyznačenou aktivně ohřívanou zónou 3 ochranné bariéry, k níž jsou přivrácena přijímací fokusační pole 7.

Obr. 4 znázorňuje alternativní provedení rotačního válcového tělesa 5 reaktoru s divergenčním kanálem 5.3,1 konvexního tvaru.

Rotační válcové těleso 5 reaktoru je otočně uloženo na otočném systému tvořeném centrálním ložiskovým čepem 10 a oběžnými rozetami 10.1.

Funkce technického řešení spočívá v tom, že po aktivaci plazmatického zdroje 6 dochází k emisi plazmatu o velmi vysoké teplotě, kterou je nutné snížit na provozní teplotu vhodnou pro ohřev ochranné bariéry 4. Toto snižování teploty je docíleno pomocí otáčení divergenčního kanálu 5.3 spolu s rotačním válcovým tělesem 5, kdy je periodicky ohřívána ochranná bariéra 4 v zóně výstupní části divergenčního kanálu 5.3 na své vnitřní válcové ploše. Část tepla předaného ochranné bariéře 4 horkým plazmatem je při dalším otáčení rotačního válcového tělesa 5 přenesena na vnější povrch rotačního válcového tělesa 5 opatřeného tepelněabsorbčním pláštěm 5.1, čímž je dosaženo interakční výměny tepla po celém obvodu ochranné bariéiy 4 s rotačním, válcovým tělesem 5, resp. s jeho tepelněabsorbčním pláštěm 5.1, která je potřebná pro stabilizaci intenzity infračerveného záření využitelného pro pohon příslušných tepelných strojů. Další možností snižování vysokoenergetického potenciálu je způsob pulzního provozu plazmatického zdroje 6 ve své funkci a volba dostatečně velkého průměru ochranné bariéry 4, čímž se zvyšuje časová prodleva mezi opakovaným ohřevem aktivně ohřívané zóny 3 ochranné bariéry 4 generovanou plazmou.

Claims (10)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Tepelný reaktor pracující v oblasti infračerveného záření, jehož primárním zdrojem energie je vysokoteplotní plazma, sestávající z uzavřeného válcového prostoru (1) tepelného reaktoru odděleného od vnějšího prostoru (2) nejméně jednou ochrannou bariérou (4) ve formě skruže, na jejíž vnější straně příslušející vnějšímu prostoru (2) je okolo celé její válcové vnější plochy umístěna soustava na sebe navazujících teplosměnných ploch (7.1) kompoudních tepelných pohonných jednotek opatřených přijímacími fokusačními poli (7), případně jiných teplosměnných ploch příslušejících jiným tepelným strojům, vyznačující se tím, že v uzavřeném válcovém prostoru (1) tepelného reaktoru ohraničeného ochrannou bariérou (4) je otočně podle osy (o) uloženo rotační válcové těleso (5) reaktoru opatřené na své vnější válcové ploše tepelněabsorbčním pláštěm (5.1) a protilehlými podstavnými izolačními stěnami (5.5, 5.6), přičemž mezi vnější plochou tepelněabsorbčního pláště (5.1) a vnitřní plochou ochranné bariéry (4) je vytvořena tepelná interakční mezera (5.2) a přičemž uvnitř rotačního válcového tělesa (5) reaktoru je umístěn plazmatický zdroj (6) opatřený přívodem (9) plynu a elektrickým přívodem (8) plazmatického zdroje (6), přičemž na výstup (6.1) generovaného plazmatu je napojen kónický divergenční kanál (5.3) kuželového tvaru a/nebo divergenční kanál (5.3.1) konvexního tvaru, jehož výstupní zóna (6.2) je přivrácena k vnitřní ploše ochranné bariéry (4) vytvářející tak aktivně ohřívanou zónu (3) ochranné bariéry a přičemž vnitřní kónické plochy divergenčního kanálu

   -3 CZ 14827 Ul (5.3) kuželového tvaru i vnitřní kónické plochy divergenčního kanálu (5.3.1) konvexního tvaru jsou opatřeny magnetickou čočkou (5.4).
2. 2. Tepelný reaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že rotační válcové těleso (5) reaktoru je s výhodou vytvořeno z keramického porézního materiálu.
3. 3. Tepelný reaktor podle nároků 1 a 2, vyznačující se tím, že magnetická čočka (5.4) je tvořena soustavou elektromagnetů opatřenou přívodem (8.1) elektrické energie magnetické čočky.

   3 výkresy

   Seznam vztahových znaků:

   1 - uzavřený válcový prostor tepelného reaktoru

   2 - vnější prostor

   3 - aktivně ohřívaná zóna ochranné bariéry
4. 4 - ochranná bariéra
5. 5 - rotační válcové těleso reaktoru

   5.1 - tepelněabsorbční plášť

   5.2 - interakční mezera

   5.3 - divergenční kanál kuželového tvaru

   5.3.1 - divergenční kanál konvexního tvaru

   5.4 - magnetická čočka

   5.5, 5.6 - podstavné izolační stěny
6. 6 - plazmatický zdroj

   6.1 - výstup generovaného plazmatu

   6.2 - výstupní zóna divergenčního kanálu
7. 7 - přijímací fokusační pole

   7.1 - teplosměnné plochy kompoudních tepelných pohonných jednotek
8. 8 - elektrický přívod plazmatického zdroje

   8.1 - elektrický přívod magnetické čočky
9. 9 - přívod plynu plazmatického zdroje
10. 10 - centrální ložiskový čep

    10.1 - oběžné rozety.