SU48754A1 - Пароэлектрический генератор - Google Patents

Description

Насто щее изобретение относитс  к генератору посто нного тока, действие которого основано на переносе электрических зар дов струей адиабатически расшир ющегос  пара.

Такой генератор был предложен по авторскому свидетельству № 48753.

Изобретение заключаетс  в дальнейщей конструктивной разработке указанного генератора.

На чертеже изображен предлагаемый генератор.

Испарение ртути происходит в котле К. По трубе Т ртутный пар поступает в сопло в котором он адиабатически расшир етс . Снаружи сопло охвачено замкнутой камерой, в которой горит дуговой разр д. Поэтому ее можно называть дуговой камерой.

Катодом дугового разр да служит жидка  ртуть F. Анодом дугового разр да  вл етс  электрод А. Вывод анода через изолирующую втулку Я, проходит через верхнюю крышку дуговой камеры. Возбуждение светлого п тна на ртутном катоде происходит посредством специального поджигающего электрода/ , вывод которого проходит в верхней крышке дуговой камеры через изолирующую втулку И.

Сопло может быть сделано как из

диэлектрика (например, алунда, стеатита , фарфора, базальта, кварца и т. д.), так и из проводника (металла). В последнем случае сопло электрически соединено с катодом дуговой камеры и, следовательно, имеет потенциал последнего . В нижней части сопла предусмотрены щели, открывающиес  в дуговую камеру.

Перед выходным отверстием сопла 5 помещаетс  решетчатый электрод G, на который подаетс  отрицательный потенциал . Электрод этот снабжен цилиндрическим штифтом g, расположенным по оси сопла против щелей, ведущих в дуговую камеру. Сквозь эти щели положительные ионы из дугового разр да диффундируют к отрицательно зар женным штифту g и экранирующей решетке G.

Поэтому вблизи выходного отверсти  сопла S всегда существует положительный объемный зар д, плотность которого определ етс  величиной отрицательного потенциала электродов g к G, их конфигурацией, величиной щелей в сопле и интенсивностью дугового разр да между электродами F и Л.

Переохлажденный благодар  адиабатическому расширению пар конденсируетс  вокруг положительных ионов.

Образовавшийс  объемно зар женный туман пролетает сквозь экранирующий электрод g, пролетает сквозь сетку -D и попадает на стенки холодильника X, которому и отдает свой положительный зар д.

Сетка электрически соединена с холодильником X. Поэтому зар женные каоельки тумана попадают в тормоз щее электрическое поле, не успев потер ть бесполезно даже небольшой части своей энергии.

Холодильник X изолирован от сопла и дуговой камеры при помоши кварцевого или фарфорового цилиндра И.

Полезна  нагрузка генератора включаетс  между холодильником X и одним из дуговых электродов (например, катодом F). На чертеже зажимы, к которым приключаетс  нагрузка; обозначены через Z. Дабы изолировать холодильник от котла К, вытекаюша  из холодильника ртуть пропускаетс  через так называемый капельный сепаратор R. Последний представл ет собой диафрагму, снабженную весьма мелкой перфорацией . Благодар  этому ртуть вытекает из холодильника пе сплошной струей, а в виде отдельных капель.

Трубка В, отвод ща  ртуть из холодильника , делаетс  из изолирующего материала (кварца или стекла).

На достаточном отдалении о холодильника , трубка В переходит в металлическую трубку /7, по которой ртуть попадает в котел.

К трубке В присоединена трубка Н, ведуща  к вакуумному насосу. Назначение последнего - удаление посторонних газов, попадающих в генератор сквозь швы и уплотнени .

В виду больщого удельного веса жидкой ртути можно давать конденсат обратно в котел без посредства насоса. Дл  этого достаточно лишь расположить генератор выше котла.

Например, при давлении в котле 10 ата при 10 ата температура насыщенного ртутного пара выще 500° (дл  безнасосного питани  котла необходима разность уровней котла и генератора около 8 м).

Дл  вычислени  к.п.д. генератора весьма важно знать мощность, забираемую ионизирующей дугой. Пор док

этой величины можно определить следующим образом: падение напр жени  в ртутной дуге может колебатьс  от 15 до 25 V (даже в случае относительного большого давлени  ртутного пара в дуговой камере - несколько миллиметров - падение напр жени  не превысит 30 - 50 V). Поэтому на каждый ампер тока дуги расходуетс  мощность от 15 до 50 W.

При соответствующей конфигурации сопла и дуговой камеры можно добитьс  того, что ионный ток на электроды g и G будет составл ть 5 - 10% от тока дуги (таков, например, пор док величины сеточных токов в тиратроне). Предположим, что только 50% ионов, идущих к электродам g   G, будут уноситьс  струей пара к холодильнику. Тогда на один амнер конвекционного тока надо затратить от 200 до 500 W. Если напр жение конвекционного генератора 20 kV, то затрачиваема  в ионизирующей дуге мощность будет составл ть всего 1 - 2% от развиваемой конвекционным генератором мощности. Эта величина того же пор дка, что и затраты на возбуждение альтернатора или динамомащины посто нного тока. Если же удастс  построить конвекционный генератор на более высокое напр жение, то в нем потери на возбуждение будут составл ть еще более ничтожный процент.

Вы сним теперь, какие величины токов и напр жений можно рассчитывать получить от конвекционного генератора.

Представим экранирующую сетку G и сетку холодильника D в виде двух параллельных безгранично прот женных плоскостей. Тогда электрическое поле будет мен тьс  только по координате, перпендикул рной к плоскости сеток; обозначим эту координату ;с и за начало координат примем плоскость сетки G.

Во всех направлени х, параллельных плоскост м G и D, поле мен тьс  не будет. Краевыми эффектами также пренебрежем .

Из плоскости G вылетают с начальной скоростью -Vf, капельки с массой М и зар дом е.

Начальна  скорость капелек определ етс  уравнением: ,

м/сек. - 91,5 I//1-Уз

(1)

fn У и у2 - теплосодержание пара до и после расщирени  в сопле. В дальнейшем будем обозначать перепад теплосодержани  в сопле yl-/2 /о- Формула (1) верна дл  любого рабочего тела (ртутного пара, вод ного пара и т. д.). Разность потенциалов между электродами G к D обозначим {/д. Потенциал в произвольной точке пространства обозначим Цг скорость капель в этой точке v. Тогда дл  каждой точки пространства справедливо уравнение M(v, - v,). ... (2) Если считать, что капли приход т на электрод D с нулевой скоростью, то jilEoL- A/g 2 - й Обозначим объемную плотность зар дов в пространстве между электродами РО; . Тогда плотность конвекционного тока Д/ рхУа; (величина Д/ дл  разбираемого плоского случа  от X не зависит). Кроме того дл  пространства между электродами мы имеем уравнение (в системе CGSE) Т.2- .... (в системе CGSM это уравнение надо было бы писать- С-3. ). Комбиниру  уравнение Д/ р,г:, с уравнени ми (2) и (4), мы можем вывести (аналогично тому, как это делаетс  при выводе формулы Лангмюира) зависимость между Д/ и и и,(5) 9г. V М но согласно формуле (3) |/ ;д| . поэтому формулу (5) можно переписать: gr.dz Если перевести формулу (6) из системы CGSE в систему практических единиц, то мы получим Д/А/сл 2 Щ см1сек Uo V 10 Д/А/сж г;о м/сек С/о V Ю формула (7) показывает, что в том случае, когда масса капли достаточно велика дл  того, чтобы при данной скорости перенести зар д капли против пол  холодильника, то предельна  плотность тока пр мо пропорциональна напр жению генератора и начальной скорости капель. Прин в во внимание формулу (1), можно уравнение (7) переписать так А (8) Отсюда мощность, приход ща с  на 1 см выходного отверсти  сопла, равна ДР (9) Дл  получени  больщих мощностей необходимо строить генератор на возможно более высокие напр жени . В случае ртутного пара /о может быть несколько дес тков. Возьмем, например 7о - 50 кал/кг и d см, тогда при напр жении генератора 1000 V Д/ 2,5 тА/см-; ,5 иЛгж. При напр жении же генератора lOOkV Д/ 0,25 т. ДР 25 . Определим теперь, каково должно быть конечное давление пара при выходе из сопла. Обозначим удельный объем пара при выходе из сопла Vf, , тогда через каждый квадратный сантиметр. (0,0001 ) выходного сечени  сопла будет проходить 10 кг/се/с. кинетическа  энерги  этого пара равна о/о„1111..1000 ,., ДР OJO 0 ,42- W/C,M2 .... (10) Эта величина ни в коем случае не должна быть больше величины, определ емой по формуле (9) (если энерги , заключаема  в струе пара, будет больше, чем это следует по формуле (9), то избыток энергии будет бесполезно пропадать), в пределе 0,42 г/о Ml сек U, 10 . (11) отсюда определ ем V IQH . . . . (12) tjo Зна  VQ, можно по таблицам пара найти давление, соответствующее этому VQ И при заданном расходе пара найти выходное сечение сопла. Например, при см, , V и 1/0 5.10 конечное давление должно быть не выше 10 При С/о 100 kV; и конечное давление должно быть не выше 0,0004 ата, т. е. со 0,3 лгм Hg. На основании формул (5) и (7) можно также вычислить характер изменени  потенциала и скоростей капель в зависимости от рассто ни  х. (l-) ,3 V. V,( . , f В реальном генераторе зар женные капли приход т на поверхность холодильника не с нулевой, а с некоторой остаточной скоростью. Исход  из формул (13) и (14), очень легко учесть вли ние остаточной скорости. В пределе , когда конечна  скорость будет равна начальной, Д/ будет в 4 раза больше, чем это следует по формуле (7). Под f/o тогда надо понимать не разность потенциалов между электродами G и Д а разность потенциалов между любым из этих электродов и минимумом потенциала, лежащим на половине рассто ни  между электродами. Потенциал в пространстве между электродами равен: .rf i d i 3(1 прих с1- 0 (поверхность холодильника D) при -д--(поверхностьэлектрода (3). Все вышеприведенные формулы справедливы не только в том случае, когда ионы перенос тс  конденсирующимис  вокруг них капельками, но и когда механизм переноса ионов иной, лишь бы только начальна  скорость ионов была равна скорости пара при выходе из сопла. Если скорость ионов будет меньше, возможные плотности тока на квадратный сантиметр также упадут. Мыслим, например, такой механизм переноса ионов: быстро лет щий нейтральный атом встречает медленный ион и обмениваетс  с ним зар дом. Получаетс  быстрый ион и медленно движущийс  атом. Лет  против пол  холодильника ион затормаживаетс . Тогда из него налетает новый быстрый атом, который перенимает его зар д и некоторое врем  летит против пол  и т. д. Выведенные формулы указывают, какова должна быть конструкци  генератора . Рассто ние между электродами G и D должно быть возможно меньше. Градиент у электрода при этом возрастает обратно пропорционально рассто нию d в первой степени; Плотность же конвекционного тока возрастает обратно пропорционально d. Скорость пара при выходе из сопла должна быть возможно больше. Предмет изобретени . 1. Видоизменение генератора по авторскому свидетельству № 48753, отличающеес  тем, что электроды дуги, служащей дл  ионизации зоны, прилегающей к сетке, расположены в отдельной камере, окружающей сопло и соединенной с полостью последнего в выходной его части р дом щелей, а сетка в центральной части снабжена электродом в виде штифта g, вход щего в сопло

генератора и расположенного против указанных щелей в сопле.

2. Форма выполнени  генератора по п. 1, отличающа с  тем, что в качестве

катода ионизируемой дуги применена жидка  ртуть, помещенна  на дне камеры , а анод указанной дуги укреплен на наружной части сопла.