SU48753A1 - Пароэлектрический генератор - Google Patents

Description

Предлагаемое изобретение касаетс  устройства паро-электрического генератора , действие которого основано на переносе паром электрических зар дов с сетки на стенки сосуда, т. е. в таком генераторе кинетическа  энерги  движущейс  струи непосредственно преобразовываетс  в энергию электрического тока. Происходит это следующим образом. Полученный .обычным способом в котле пар выпускаетс  в сопло, где он расшир етс  настолько, что превращаетс  в дисперсную среду (туман , движущуюс  с больщой скоростью и имеющую поэтому определенную кинетическую энергию. Превращение пара в дисперсную среду производитс  в пространстве , где всегда поддерживаетс  определенна  концентраци  ионов.

Поэтому кажда  капелька образовавшегос  тумана будет нести определенный электрический зар д.

Если этот объемно зар женный туман воспринимать на поверхность электрически , изолированного охлаждаемого металлического сосуда (холодильника), то потенциал этого сосуда - холодильника начнет возрастать. Если к холодильнику приключить полезную нагрузку , то через последнюю будет протекать посто нный ток, а потенциал холодильника будет все врем  сохран ть какое-то определенное значение. Так

как зар женный холодильник будет создавать вокруг себ  электрическое поле, то капельки, несущие зар ды, подлета  к холодильнику, будут тормозитьс . При этом торможении кинетическа  энерги  быстро движущегос  тумана должна превращатьс  в электрическую энергию.

В качестве рабочего тела в пароэлектрическом генераторе, иовидимому целесообразнее всего применить ртуть. Возможно также применение паров других легко кип щих металлов, как например, кали  или натри .

Вод ной пар или пар какого-либо другого сложного тела в указанном генераторе, повидимому, нельз  будет применить, так как при ионизации такой пар будет разлагатьс  и сможет вступать в химическое взаимодействие с материалом сопла холодильника и т. д.

На чертеже фиг. 1, 2, 3, 4 и 6 изображают возможные формы выполнени  предлагаемого генератора; фиг. 5-соответствующие кривые токов и напр жений .

При выполнении генератора, согласно фиг. 1, в котле/Спроисходит испарение ртути. По трубе Г ртутный пар попадает в сопло С. По дороге пар может пройти через пароперегреватель М.

Внутри сопла С помещаютс  два электрода Л к F, между которыми возбуждаетс  дуговой разр д. Электрод, служащий катодом дуги, может буть или жидким (ртутный) или накаливаемым от специальной батареи Ба , как это изображено на фиг, 1. Можно также применить катод, накаливаемый ионной бомбардировкой и т. д.

Между анодом А и катодом F включен источник посто нного тока Б. Сопротивление 2 ограничивает ток дуги. Перед выходом сопла помещен решетчатый электрод (сетка) G.

От источника посто нного тока Б на электрод (сетку) G подаетс  отрицательное напр жение. Дл  ограничени  тока в цепь сетки G включено сопротивление /,.

Буквой X на фиг. 1 обозначен холодильник . В трубку Oi подаетс  охлаждающа  жидкость (вода или масло), через трубку Og последн   отводитс . По трубке В уходит из холодильника сконденсировавша с  в холодильнике ртуть. При помощи насоса (не показанного на чертеже) сконденсировавша с  ртуть поступает обратно в котел через трубку /7. Если котел и паропровод сделаны из электропроводного материала и их желательно заземлить, то между холодильником X и паропроводом 7 делаетс  изолирующа  вставка U. Така  же изолирующа  вставка должна быть сделана в ртутеотвод щей трубке Б (при этом, пон тно, надо прин ть меры, чтобы по этой изолирующей вставке ртуть не текла сплошной струей).

На фиг. 2 приведена упрощенна  электрическа  схема паро-электрического генератора. А и F-электроды, между которыми горит дуга, G-решетчатый электрод, выт гивающий положительные ионы, С-паропровод щее сопло, X-холодильник.

Полезна  нагрузка генератора приключаетс  к зажимам Z между холодильником и электродом А.

После вышеизложенного принцип действи  генератора, изображенного на фиг. 1, вполне очевиден. Адиабатически расширившийс  и переохладившийс  в сопле С пар попадает в зону между соплом и решетчатым электродом G. Вблизи электрода О всегда существует значительна  концентраци  положительных ионов, так как потенциал электрода G отрицательный и к нему диффундируют ионы из дуги, гор щей между электродами А к F. Попав в ионизированную среду, переохлажденный пар конденсируетс  совершенно аналогично тому, как конденсируетс  пар в камере Вильсона. Каждый ион становитс  центром конденсации. Поэтому кажда  капелька образовавшегос  тумана будет нести положительный зар д.

Необходимо также заметить, что ионизировать пространство между экранирующим электродом и соплом можно не только при помощи дугового разр да , но действу  любым другим ионизирующим агентом.

Можно, например, осветить эту зону рентгеновскими или ультра-фиолетовыми лучами.

Возможно, что дл  облегчени  конденсации ртутного пара будет целесообразно добавл ть в струю ртутного пара мелко распыленную при помощи специальной форсунки ртуть.

Конструкци  электрода G имеет весьма важное значение дл  правильного функционировани  генератора.

Электрод G должен прежде всего иметь возможно большую проницаемость , так как те капельки ртути, которые коснутс  его поверхности, нейтрализуют свой положительный зар д и приобретают отрицательный зар д. Это будет снижать к. п. д. генератора.

Вместе с тем этот электрод должен иметь малую электрическую проницаемость , так как в противном случае поле холодильника будет проникать в пространство вблизи электродов дутнА и F. Тогда к холодильнику пойдут электроны и генератор окажетс  замкнутым накоротко (внутреннее короткое).

Чтобы получить электрод G, обладающий достаточным электрическим экранирующим действием, может оказатьс  целесообразным сделать электрод G в виде достаточно глубоких сот и расположить одну за другой несколько редких сеток (аналогично тому, как это делают в экра:нированных радиолампах, когда желательно иметь малый ток экранной сетки при большом коэфициенте усилени  и т. д.). Возможно также, что целесообразно будет сообщить разным сеткам различные потенциалы.

Пролетев сквозь электрод G, зар женные капельки попадают, в электрическое поле холодильника .Y. Это поле тормозит движение капелек и дл  того, чтобы дойти до холодильника, они должны затратить значительную часть своей кинетической энергии, приобретенной при адиабатическом расширении в сопле.

Эта часть энергии и превращаетс  в электрическую энергию, отдаваемую нагрузке. На поверхность холодильника капельки попадают с какой-то остаточной скоростью. Остаток энергии капелек выдел етс  в виде тепла, которое уноситс  охлаждающей жидкостью. Эта часть энергии  вл етс  тепловыми потер ми .

Если замкнуть холодильник накоротко с электродом Л, то тормоз щее электрическое поле холодильника пропадет , капельки будут попадать на поверхность холодильника, име  полную скорость, и вс  кинетическа  энерги  пара перейдет в бесполезное тепло.

Дл  того, чтобы возможно ббльща  часть кинетической энергии расширившегос  пара превратилась в электрическую энергию, необходимо, чтобы между начальной скоростью капелек, их зар дом, массой и потенциалом холодильника существовало определенное теоретически устанавливаемое соотношение .

При помощи предлагаемого генератора может быть получен не только однофазный или многофазный переменный ток, но и ток повышенной частоты (несколько тыс ч герц).

На фиг. 3 изобран{ена одна из возможных форм выполнени  пароэлектрического генератора переменного тока. По трубе П к специальному крану Ф поступает (из не показанного на чертеже котла) ртутный пар. Кран Ф приводитс  во вращение синхронным двигателем М и распредел ет пар между трем  соплами 1, 2 5з. Таким образом, через каждое из сопел пар течет одну треть всего времени.

В каждом сопле имеютс  электроды, между которыми поддерживаетс  дуговой разр д: в сопле S -электроды Р и J.1, в сопле 2 - электроды F и А и т. д. Перед выходом каждого сопла

помещаетс  решетчатый экранирующий электрод (сетка) GI, Сз и Gg.

Напр жение на электроды А, F к G подаетс  от двух источников посто нного тока BI и 5,.

Выход щий из сопел пар попадает в холодильники yY, Х и Х-, сконденсировавша с  ртуть отводитс  из холодильников обратно в котел по трубкам fij, В-, и 5зХолодильники Х, X-i и Х изолированы друг от друга и от паропровод щих сопел изолирующими вставками U,

(Л и /Уд.

Каждый из холодильников соединен с одной фазой трансформатора Г. Нулева  точка первичной обмотки этого трансформатора через индуктивное сопротивление L приключена к соединенным параллельно электродам А Л и Лд.

На фиг. 4 изображен другой вариант предлагаемого генератора переменного тока. В этом генераторе имеетс  один общий сосуд (холодильник) X, в который вделаны изолированные друг от друга и от паропровода (вставками U) сопла Sj, 5g и Sg. В каждом сопле имеютс  электроды, между которыми горит дуга. Дл  упрощени  на фиг. 4 показаны только аноды Л, Л2 и Лд. Катоды дугового разр да не показаны. Между анодами и экранирующими электродами (сетками) Gj, Gj и Сз включены изолированные друг от друга источники посто нного тока 1, 2 и БЗ.

Отдельные фазы первичной обмотки трансформатора присоединены к анодам AI, AZ и Лд. Нулева  точка первичной обмотки через индуктивное сопротивление L приключена к сосуду-холодильнику X.

На фиг. 5 приведены кривые токов и напр жений дл  какого-то режима работы паро-электрического генератора переменного тока. На чертеже цифрами I, II и III обозначены соответственно напр жени  фаз трансформатора Т (предполагаетс , что генератор приключен к сети, в которой уже имеетс  напр жение переменного тока). Буквами / с индексами I, II и III обозначены токи в первичной обмотке трансформатора; Е и /р - напр жение и ток в одной из вторичных (присоединенных к питаемой сети переменного тока) обмоток; о-угол

сдвига фаз между током и напр жением в питаемой сети.

Как и в предыдущих случа х, конденсиру сь в пространстве между соплом S и электродом G, ртутный пар превращаетс  в туман, отдельные капельки которого несут положительные зар ды. Сад сь на поверхность сосудахолодильника , эти капельки отдают последнему свой зар д. Если рассто ние от электрода (сетки) G до стенки холодильника велико, то капельки, вследствие различных столкновений, могут затормозитьс  и потер ть свою кинетическую энергию, не дойд  до стенки холодильника. Чтобы избегнуть этого, в конструкции, изображенной на фиг. 4, применены сетки DI, D и Dg, электрически соединенные с холодильником и расположенные в непосредственной близости от электрода G. Между электродами G и D приложено полное рабочее напр жение пароэлектрического генератора .

Поэтому, пролетев интервал между электродами G н D, капельки полностью отдают свою кинетическую энергию. После того, как капельки пролетели сетку D, они уже никуда не могут отклонитьс  и неизбежно попадают на холодильник.

Кроме того, придав сетке D соответствующую форму (так, чтобы электрическое поле вблизи электрода G было более равномерно), можно значительно повысить напр жение, при котором будет наступать пробой внутри генератора между электродом G и холодильником , и этим повысить напр жение , отдаваемое паро-электрическим генератором . Опыт постройки высоковольтных ртутных выпр мителей и газотронов говорит за то, что с помощью электрического генератора можно будет получить напр жение пор дка 50 kV.

Дл  получени  более высоких напр жений следует применить последовательное (каскадное) включение предлагаемых генераторов,

В каждое из сопел пар подаетс  отдельными импульсами, длительность

которых равна - части периода переменного тока (т - число фаз генератора и, следовательно, число сопел). Поэтому

напр жение на каждом из холодильников имеет вид пр моугольных импульсов .

В отрезки времени, когда в какоелибо сопло пар не поступает, напр жение на холодильнике этого сопла отрицательно .

Дл  того, чтобы к холодильнику в это врем  не диффундировали ионы, можно сообщать электроду G слегка положительное напр жение в те отрезки времени, когда в сопло не подаетс  пар.

Можно также поместить между электродами О и сетками D вспомогательные решетчатые электроды, на которые и подавать переменное напр жение соответствующей частоты и фазы.

Можно, наконец, питать переменным током дугу, гор щую между электродами А и F таким образом, чтобы в то врем , когда пар в сопло не подаетс , на анод также не подавалось бы положительное напр жение. Благодар  этому во врем  отрицательных полупериодов в сопле будет отсутствовать ионизаци  и уменьшитс  опасность пробо  между холодильником и электродами F, А и G.

Кроме того, при питании дуги переменным током уменьшаетс  расход энергии на возбуждение, так как в каждом

из сопел дуга горит только - всего времени (это должно повысить к. п. д. генератора ).

Паро-электрический генератор переменного тока, изображенный на фиг. 3 и 4, обладает весьма ценным свойством: он может питать нагрузку, имеющую любой сдвиг фаз, безразлично, опережающий или отстающий. Момент начала прохождени  тока и момент прекращени  протекани  тока через каждую из фаз первичной обмотки трансформатора определ етс  только впуском и прерыванием пара в соответствующем сопле. Поэтому импульс тока в каждой фазе трансформатора может занимать любое положение относительно кривой напр жени  этой фазы.

Фиг. 5, например, изображает режим, когда генератор питает нагрузку с отстающим углом фаз (иидуктивную нагрузку ).

При этом ток начинает проходить через каждую фазу в момент, когда ее

напр жение более отрицательно, чем напр жение предшествовавшей фазы, через которую перед этим протекал ток.

В инвертере, работающем на тиратронах , такой режим был бы совершенно невсзможен.

В те моменты времени, когда напр жение работающей фазы пароэлектрического генератора выше, чем напр жение , развиваемое соответствующим соплом , ток течет за счет запасенной в индуктивном сопротивлении L энергии.

Когда же напр жение работающей фазы ниже, чем напр жение сопла, дроссель L запасает энергию.

Дл  правильного функционировани  генератора необходимо только, чтобы среднее арифметическое кривой напр жени  каждой фазы за врем  работы соответствующего сопла было равно напр жению, развиваемому этим соплом.

На фиг. 6 показан паро-электрический генератор, способный давать электрические колебани  повышенной частоты . Между электродом А и холодильником X включаетс  колебательный контур, состо щий из индуктивности L и емкости С.

Как только потенциал холодильникастановитс  положительнее, чем потенциал электрода А, потенциал электрода G становитс  отрицательнее, чем потенциал электрода А. Благодар  этому, к электроду G диффундируют положительные ионы, которые затем унос тс  к сосуду-холодильнику X, вследствие чего положительный потенциал последнего возрастает. При этом возрастает и отрицательный потенциал электрода G, увеличиваетс  диффузи  положительных ионов к последнему. Потенциал сосуда холодильника при этом еще больше возрастает. Потенциал холодильника будет наростать до тех пор, пока дальнейшее увеличение отрицательного потенциала электрода G перестает вызывать увеличение конвекционного тока.

Последн   же величина зависит, главным образом, от интенсивности паровой струи.

Тогда потенциал холодильника начнет падать и потенциал электрода G примет положительное значение. Поэтому ионы перестанут диффундировать к электроду G. Превращение пара в дисперсную среду в пространстве вблизи электрода G уменьшитс , а образовавшиес  капельки тумана не будут нести положительных зар дов.

После того, как потенцал холодильника пройдет через наинизшее значение, он начнет снова нарастать.

При- этом потенциал электрода G станет отрицательным, что вызовет новое увеличение положительного конвекционного тока на холодильник X, потенциал последнего начнет нарастать и т. д.

К. п. д. такого генератора с самовозбуждением , в котором стру  пара не прерываетс , будет хуже, чем к. п. д. вышеописанных генераторов с прерыванием струи пара (фиг. 3 и 4), так как в те отрезки времени, когда напр жение электрода G положительно и конвекционный ток к холодильнику не идет, вс  кинетическа  энерги  пара превращаетс  в тепло.

В этом отношении паро-электрический генератор с самовозбуждением несколько напоминает генератор с электронной лампой, когда последний работает в режиме колебаний первого рода (в этом случае наивысший возможный к. п. д. электронного генератора будет 50%).

Предмет изобретени .

Claims (13)

1.Паро - электрический генератор, действие которого основано на переносе паром зар дов, отличающийс  тем, что дл  сообщени  струе пара зар дов зона выхода из сопла поддерживаетс  ионизированной, в каковой зоне помещена отрицательно зар женна  сетка G, предназначенна  дл  концентрировани  положительных ионов, переносимых струей пара на стенки сосуда, служащего положительным полюсом генератора.

2.Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что, с целью уменьшени  воздействи  электрического пол  стенок сосуда на ионизированную зону и вместе с тем получени  малой нейтрализации зар дов на сетке, применены несколько редких сеток, расположенных одна за другой и имеющих одинаковые или разные потенциалы.

3.Форма выполнени  генератора по пп. 1 и 2, отличающа с  применением

форсунки дл  добавлени  в выход щую из сопла струю пара жидкости в распыленном виде.

4.Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что в качестве пара применены пары ртути или другого легко кип щего металла (кали  или натри ).

5.Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что дл  ионизации зоны между расположенным в сопле С отрицательным электродом А сеткой G применен вспомогательный накаливаемый электрод F, между которым и электродом А поддерживаетс  дуга.

6.Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что дл  ионизации зовы между электродом А и сеткой G применено освещение указанной зоны ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами.

7.Форма выполнени  генератора по пп. 1 и 5, отличающа с  тем, что, с целью получени  р да импульсов пр мого тока с определенным сдвигом между ними во времени, применены несколько сосудов, пар в которые подаетс  поочередно от одного источника при помощи вращающегос  паропереключател .

8.Форма выполнени  генератора по п. 7, отличающа с  тем, что, с целью преобразовани  сдвинутых во времени импульсов пр мого тока в трехфазный переменный ток, цепи трех отдельных сосудов, пар в которые подаетс  поочередно от вращающегос  переключател , соединены в звезду и приключены к первичной обмотке трехфазного трансформатора , нулева  точка которой через реактивное сопротивление присоединена к общей точке указанных цепей.

9.Форма выполнени  генератора по п. 8, отличающа с  тем, что все три сопла и св занные с ними электроды установлены в одном сосуде, к которому присоединена нулева  точка первичной обмотки трансформатора, в то врем , как ее концы приключены к соответствующим электродам А-, А, Лз генератора.

10.Форма выполнени  генератора по пп. 8 и 9, отличающа с  тем, что сила тока, питающего вспомогательную дугу, ионизирующую рабочую зону, периодически измен етс  с частотой преобразованного тока.

П. Форма выполнени  генератора по ип. 8 и 9, отличающа с  применением добавочных сеток, потенциал которых периодически мен етс  с частотой переменного тока.

12.Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что между сосудом генератора и электродом А включен колебательный контур, с которым при помощи гальванической, индуктивной или емкостной св зи соединена сетка генератора.

13.Форма выполнени  генератора по пп. 7 и 10, отличающа с  тем, что непосредственно за основной сеткой по пути пара помещена сетка D, электрически соединенна  с сосудом генератора .

к авторскому свидетельству Г. И. Бабата и Р. П. Жежерина ,ь 48753

г -. а S ®

- f

r7

6,:

Фиг 2.

к авторскому свидетельству Г. И. Вабата и Р. П. Жежерина № 48753

Фиг 5.