爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征是在一個(gè)燃?xì)獯帕黧w閉路環(huán)道中，至少一個(gè)爆轟發(fā)動機(jī)通過引射混合器將爆轟燃?xì)鈬娙碎]路環(huán)道內(nèi)，閉路環(huán)道內(nèi)串聯(lián)設(shè)置磁流體發(fā)電單元，磁流體發(fā)電單元是由一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器和一段磁流體發(fā)電通道組成，等離子體化學(xué)反應(yīng)器在閉路環(huán)道中，在將高壓原料氣甲烷、二氧化碳、水蒸氣自熱聯(lián)合重整制合成氣燃料的同時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)電離放電磁流體工質(zhì)，高速通過磁流體發(fā)電通道，切割磁力線直接輸出電能。由于燃?xì)獯帕黧w采用閉路循環(huán)，無排氣系統(tǒng)，充分利用自然資源，提高磁流體發(fā)電效率。
【專利說明】爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)屬發(fā)電機(jī)械裝置，特別是涉及一種天然氣爆轟燃?xì)庠陂]路環(huán)道中反復(fù)循環(huán)，將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的新型磁流體發(fā)電系統(tǒng)。另外涉及一種高氣壓滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器和一種等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)。
二、技術(shù)背景
[0002]眾所周知，磁流體發(fā)電系統(tǒng)按其工作循環(huán)來分，可以分成開環(huán)磁流體發(fā)電和閉環(huán)磁流體發(fā)電。無論開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)都是以化石燃料(也可以是核能)為熱源，閉環(huán)不過是把化石燃料燃燒產(chǎn)生的熱能通過某種熱交換器傳給惰性氣體或液態(tài)金屬而已，因此在化石燃料燃燒為熱源的磁流體發(fā)電中，將會有大部分熱能跟隨尾氣直接排向大氣，造成環(huán)境的污染和能源的極大浪費(fèi)，如何控制化石燃料燃燒后二氧化碳的排放及對其進(jìn)行有效能量的再利用，是全球科學(xué)家急需解決的難題。·
[0003]化學(xué)能通過燃燒后的激波傳播速度的不同，燃燒波可分為緩燃波和爆轟波。燃料的緩燃可近似認(rèn)為是等壓過程，爆轟燃燒過程近似于等容過程，熱循環(huán)效率高于等壓燃燒效率近一倍。設(shè)想通過燃料的爆轟，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)的動能，雖然會得到高速磁流體，但燃?xì)獾碾妼?dǎo)率一般只有10_2?10_4/Μ數(shù)量級，即使通過外加非平衡等離子體放電，提高磁流體工質(zhì)的電導(dǎo)率，也屬弱電離磁流體，其電離程度在10_6〈a〈0.01范圍內(nèi)。等離子體導(dǎo)電性主要由等離子體中電子濃度決定的。所謂的非平衡一般指系統(tǒng)中電子與重粒子相比具有較大的動能，表現(xiàn)為電子的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于重粒子溫度，在非平衡條件下，外加強(qiáng)電場的能量主要作用于電子，可使等離子體中電子溫度很容易達(dá)到幾萬K，而重粒子溫度幾乎不變，此時(shí)的流體才具有較高的導(dǎo)電性，同時(shí)也避免了發(fā)電工質(zhì)對高溫材料的限制。
[0004]等離子體重整CH4-CO2制合成氣(H2+C0)，不僅可以合理利用自然界豐富的CH4與CO2資源，而且可以緩解兩者引起的溫室效應(yīng)，減輕大氣環(huán)境污染。國內(nèi)外已開展的等離子CH4-CO2反應(yīng)制合成氣研究中，多采用非平衡等離子體和熱等離子體兩種工藝流程。非平衡等離子體具有很高的選擇性和能量效率，但是等離子體密度較低，很難在高流量下達(dá)到高的轉(zhuǎn)化率。另外，大氣壓下非平衡等離子體放電的非均勻性很難保證原料氣全部通過等離子體區(qū)，導(dǎo)致反應(yīng)的能量產(chǎn)率偏低，不利于工業(yè)化應(yīng)用。熱等離子體的重粒子溫度與電子溫度接近相等，可達(dá)到5000K--10000K，不僅含有豐富的化學(xué)活性粒子，同時(shí)也是一種很好的高溫?zé)嵩?，可為?qiáng)吸熱反應(yīng)過程提供足夠的能量并可加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。雖然熱等離子體重整CH4、CO2處理量大，但工質(zhì)基礎(chǔ)溫度高，能源效率很低。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)本發(fā)明目的在于，提供一種以天然氣爆轟波為動力的閉環(huán)磁流體發(fā)電系統(tǒng)，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn):1、燃燒磁流體發(fā)電機(jī)采用閉路環(huán)道式結(jié)構(gòu)，無需排氣系統(tǒng)，不存在排氣污染環(huán)境；2、回收利用尾氣中的能量提高燃燒效率；3、可將二氧化碳和水蒸氣在磁流體發(fā)電通道內(nèi)轉(zhuǎn)化為燃料，并在磁流體閉路環(huán)道內(nèi)重新燃燒；4、通過非平衡等離子體強(qiáng)電離放電提高磁流體的電導(dǎo)率，增加磁流體發(fā)電效率；5、系統(tǒng)無運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單可靠；6、提出一種等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)；7、提出一種滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器。
[0006]本發(fā)明的主要技術(shù)特征:在一個(gè)閉路環(huán)道上，有一個(gè)以上的爆轟發(fā)動機(jī)通過引射混合器，將爆轟燃?xì)鈬娙碎]路環(huán)道中，在閉路環(huán)道中串聯(lián)設(shè)置至少一段磁流體發(fā)電單元，每段磁流體發(fā)電單元都設(shè)有一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器；，強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器在閉路環(huán)道中，既是離子源也是等離子體化學(xué)反應(yīng)器；爆轟燃?xì)庠陂]路環(huán)道內(nèi)，經(jīng)過串聯(lián)的強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器時(shí)，發(fā)生等離子體甲烷二氧化碳重整、水蒸氣重整和甲烷部分氧化聯(lián)合重整；可將CH4、CO2和H2O在閉路環(huán)道內(nèi)接近100%轉(zhuǎn)化為H2+C0合成氣燃料(由于氣體內(nèi)存在其它微量元素)，并在閉路環(huán)道內(nèi)經(jīng)引射混合器吸入重復(fù)燃燒，如此反復(fù)循環(huán)無需排氣系統(tǒng)，同時(shí)環(huán)道內(nèi)被強(qiáng)電離的燃?xì)夥瞧胶獯帕黧w工質(zhì)，高速經(jīng)過串聯(lián)的磁流體發(fā)電通道時(shí)切割磁力線，將動能直接轉(zhuǎn)化為電能輸出。
[0007]所述爆轟發(fā)動機(jī)可以是脈沖爆轟發(fā)動機(jī)或旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)，它們都是通過引射混合器將爆轟燃?xì)鈬娙碎]路環(huán)道中，并在閉路環(huán)道中形成壓力梯度。
[0008]所述磁流體發(fā)電單元是由一段磁流體發(fā)電通道和一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器組成。
[0009]所述磁流體發(fā)電單元也是由一段磁流體發(fā)電通道和一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器組成。
[0010]所述強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器，在磁流體發(fā)電通道內(nèi)進(jìn)行甲烷自熱聯(lián)合重整制合成氣燃料。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]附圖1爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)示意圖
[0012]附圖2爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)示意圖
[0013]附圖3爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)示意圖
[0014]附圖4爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)示意圖
[0015]附圖5等離子體聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)示意圖
[0016]附圖6A-----A剖視圖
[0017]附圖7B-----B剖視圖
[0018]附圖8高氣壓非平衡等離子體滑移弧強(qiáng)電離放電發(fā)生器示意圖
[0019]附圖中:1、閉路環(huán)道、2、爆轟發(fā)動機(jī)、3、波瓣引射混合器、4、重復(fù)爆轟燃燒室、5、磁流體發(fā)電單元、6、強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器/強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器/滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器、7、磁流體發(fā)電通道磁體、8.爆轟燃?xì)狻?、弓I射氣體、10、預(yù)混合氣、11、等離子體聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)介質(zhì)阻擋放電電極、12.等離子體聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)爆轟管、13、等離子體聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)凹腔、14等離子體聚焦起爆重復(fù)爆轟介質(zhì)阻擋放電電源、15、高壓甲烷、二氧化碳、水蒸氣混合氣體、16、強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器介質(zhì)阻擋放電電極、17、強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器介質(zhì)阻擋放電電源、18、導(dǎo)入電極、19、導(dǎo)入電極電源、20、強(qiáng)電離放電非平衡等離子體射流/滑移弧。
五、具體實(shí)施例
[0020]1、現(xiàn)有技術(shù)的脈沖爆轟發(fā)動機(jī)和連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)仍然是概念發(fā)動機(jī)，離實(shí)際工程應(yīng)用還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要解決。根據(jù)爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)的動力技術(shù)要求，本發(fā)明提出一種等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)(附圖5)。發(fā)動機(jī)由預(yù)混合氣供給系統(tǒng)、介質(zhì)阻擋放電等離子體環(huán)形噴口、爆轟管、波瓣引射混合器、重復(fù)爆轟燃燒室組成。其動力循環(huán)是由兩級脈沖爆轟組成，第一級脈沖爆轟在反射凹腔內(nèi)，第二級脈沖爆轟在重復(fù)爆轟燃燒室。其特征在于，爆轟管的環(huán)形進(jìn)氣噴口處設(shè)置介質(zhì)阻擋放電電極，對超聲速預(yù)混合氣放電，形成超聲速等離子體環(huán)形射流，通過環(huán)形超聲速射流聚焦碰撞產(chǎn)生的激波在腔底凹面共振發(fā)射，聚焦形成高溫高壓“熱點(diǎn)”起爆，在爆轟管內(nèi)形成高頻率脈沖爆轟波。爆轟管的另一個(gè)特征在于，爆轟管的排氣端連接波瓣引射混合器和重復(fù)爆轟燃燒室。波瓣引射混合器和重復(fù)爆轟燃燒室設(shè)置在發(fā)電系統(tǒng)的閉路環(huán)道中，通過波瓣引射混合器將轉(zhuǎn)化的合成氣燃料吸入重復(fù)爆轟燃燒室中重復(fù)燃燒。所謂重復(fù)爆轟燃燒室，就是指在燃燒室內(nèi)增加一個(gè)突擴(kuò)截面，在截面上爆轟波發(fā)生彎曲，波陣面面積增大，Mach數(shù)降低，前導(dǎo)激波與反應(yīng)區(qū)解耦，解耦后的前導(dǎo)激波對部分未反應(yīng)氣體混合物進(jìn)行再壓縮，進(jìn)一步提高了氣體混合物的溫度和壓力，在燃燒室中通過激波相互作用，在這個(gè)被壓縮的氣體中重新起爆，得到一個(gè)過驅(qū)的爆轟過程；這個(gè)過驅(qū)的爆轟波通過波瓣引射混合器在環(huán)道中形成高壓端和低壓端。等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)的動力系統(tǒng)可連續(xù)高壓注入預(yù)混合氣，無需DDT距離，無需點(diǎn)火裝置，可自適應(yīng)控制直接起爆。
[0021]2、本發(fā)明提出一種高氣壓(p>0.1MPa)非平衡等離子體滑移弧強(qiáng)電離放電發(fā)生器(附圖8)，發(fā)生器由高壓原料氣甲烷、二氧化碳、水蒸氣供給系統(tǒng)及兩級非平衡等離子體耦合強(qiáng)電離放電組成。第一級強(qiáng)放電是由介質(zhì)阻擋脈沖強(qiáng)電離放電，所產(chǎn)生非平衡等離子射流，其射流等離子體濃度應(yīng)達(dá)到IOuVcm3以上；將兩套這種強(qiáng)電離放電等離子體射流裝置，設(shè)置在閉路環(huán)道兩側(cè)，強(qiáng)電離等離子射流在環(huán)道內(nèi)相對噴射相交于環(huán)道中心。第二級強(qiáng)電離放電非平衡等離子體的產(chǎn)生，是在第一級強(qiáng)電離等離子體射流的兩側(cè)，通過導(dǎo)入電極重新導(dǎo)入一個(gè)新的強(qiáng)放電電場，利用射流等離子體良好的導(dǎo)電性，讓兩射流在通道中心相交起弧放電，放電電弧在爆轟燃?xì)饬骱桶l(fā)電通道內(nèi)強(qiáng)磁場的耦合作用下，在流動的過程中從起弧到息弧反復(fù)循環(huán)，形成一種新的高氣壓(P > 0.1Mpa)非平衡等離子體強(qiáng)電離放電滑移弧放電模式。這種模式是以兩個(gè)等離子體射流為放電電極，兩電極的放電距離是由射流噴射強(qiáng)度來調(diào)整；為達(dá)到較高的非平衡度和電離效率，也可采用納秒級脈沖放電電源，納秒脈沖放電使高電場強(qiáng)度應(yīng)用很短的時(shí)間，并在等離子體衰減完之前，施加下一個(gè)高壓脈沖產(chǎn)生新的電子，其納秒級的短脈沖時(shí)間遠(yuǎn)小于電離向不穩(wěn)定發(fā)展并轉(zhuǎn)化為電弧放電特征時(shí)間，極大地提高了等離子體的穩(wěn)定性，并且納秒脈沖放電實(shí)現(xiàn)了更高折合場強(qiáng)下放電，相比直流自持放電具有更高的非平衡度和電離效率，維持同等電離水平的等離子體所消耗的功率要遠(yuǎn)低于直流放電方式，這種納秒脈沖強(qiáng)放電模式與滑移弧放電模式是可以通過控制電源技術(shù)參數(shù)而相互轉(zhuǎn)化。經(jīng)過兩級耦合強(qiáng)電場電離放電，可形成折合電場強(qiáng)度E/n.>350Td、電子平均能量Te.>10eV，產(chǎn)生的電子濃度>1016/cm3的非平衡等離子體，其強(qiáng)電離放電使閉路環(huán)道內(nèi)氣體分子處于高能態(tài)，分解、電離成光子、電子、活性原子、激發(fā)態(tài)原子、自由基以及活性分子碎片等，高能電子足以切斷任何氣體分子的化學(xué)結(jié)合鍵，在為化學(xué)反應(yīng)提供必要的具有多自由度的某一特定化學(xué)鍵斷裂形成新分子的過程，其時(shí)間尺度為分子振動周期量級，即是十至數(shù)百飛秒量級，也同時(shí)為磁流體發(fā)電機(jī)提供了強(qiáng)電離(a>10_4)磁流體工質(zhì)。
[0022]強(qiáng)電離放電非平衡等離子體甲烷自熱聯(lián)合重整，綜合了水蒸氣重整、二氧化碳重整和部分氧化，耦合了強(qiáng)放熱和強(qiáng)吸熱兩種反應(yīng)，通過調(diào)節(jié)H20、CO2、和CH4的相對反應(yīng)濃度，可以得到不同H2/C0比例的氣體，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的角度都是有效利用能源的一種先進(jìn)方法。爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)的甲烷自熱聯(lián)合重整是通過兩步進(jìn)行，首先是甲烷氧化，由甲烷/氧氣預(yù)混合氣在爆轟發(fā)動機(jī)中爆轟燃燒:CH4+202 = C02+2H20此反應(yīng)為強(qiáng)氧化放熱反應(yīng)，在供給磁流體工質(zhì)動能和熱量的同時(shí)生成二氧化碳和水蒸氣之后，CH4, CO2,氣態(tài)H2O高壓原料氣，經(jīng)介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電產(chǎn)生非平衡等離子體射流噴入閉路環(huán)道內(nèi)，經(jīng)過連續(xù)的滑移弧強(qiáng)電離放電，在閉路環(huán)道非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器中可能發(fā)生的主要反應(yīng):
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，特征包括，一個(gè)燃?xì)獯帕黧w閉路環(huán)道(1)，至少一個(gè)爆轟發(fā)動機(jī)(2)通過引射混合器(3)將爆轟燃?xì)?8)噴人閉路環(huán)道(I)內(nèi)，閉路環(huán)道(I)內(nèi)串聯(lián)設(shè)置至少一段磁流體發(fā)電單元(5)，磁流體發(fā)電單元(5)是由一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器(6)和一段磁流體發(fā)電通道(7)組成，強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器(6)在閉路環(huán)道中，即是離子源也是等離子體化學(xué)反應(yīng)器；等離子體化學(xué)反應(yīng)器(6)在閉路環(huán)道(I)中，在將高壓原料氣CH4、CO2和氣態(tài)H2O自熱聯(lián)合重整制合成氣(CCHH2)的同時(shí)，產(chǎn)生的強(qiáng)電離非平衡磁流體工質(zhì)，高速通過串聯(lián)的磁流體發(fā)電通道(7)，切割磁力線輸出電能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，燃?xì)獯帕黧w采用閉路循環(huán)，無需排氣系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，在環(huán)道(I)內(nèi)通過串聯(lián)的強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器￠)，甲烷自熱聯(lián)合重整制合成氣(CCHH2)的轉(zhuǎn)化率接近100% (由于氣體內(nèi)存在其他微量元素)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，爆轟發(fā)動機(jī)(2)可以是脈沖爆轟發(fā)動機(jī)也可以是連續(xù)旋轉(zhuǎn)爆轟發(fā)動機(jī)，所產(chǎn)生的爆轟燃?xì)?8)都是通過引射混合器⑶噴人閉路環(huán)道⑴中，并在閉路環(huán)道⑴中吸入合成氣(9)重復(fù)燃燒，形成壓力梯度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述爆轟波引射環(huán)道式磁流體發(fā)電系統(tǒng)，其特征在于，磁流體發(fā)電單元(5)是由一個(gè)強(qiáng)電離放電非平衡等離子體化學(xué)反應(yīng)器(6)和一段磁流體發(fā)電通道(7)所組成。
6.一種等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)(2)，其特征包括:發(fā)動機(jī)由兩級爆轟熱力循環(huán)組成，第一級、超聲速等離子體預(yù)混合氣在凹腔(13)內(nèi)聚焦起爆，第二級、被引射合成氣(9)在重復(fù)爆轟燃燒室(4)重新爆轟；其特征在于，爆轟管(12)的進(jìn)氣端環(huán)形噴口設(shè)有介質(zhì)阻擋放電電極(11)和電極電源(14)，爆轟管(12)的排氣端連接引射混合器(3)和重復(fù)爆轟燃燒室(4)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述一種等離子體激波聚焦起爆重復(fù)爆轟發(fā)動機(jī)(2)，其特征在于，引射混合器可以為波瓣引射混合器(3)，重復(fù)爆轟燃燒室(4)有一個(gè)突擴(kuò)截面。
8.一種高氣壓滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器￠)，特征包括，發(fā)生器由兩級非平衡等離子體耦合強(qiáng)電離放電組成，第一級由介質(zhì)阻擋強(qiáng)電離放電(16) (17)，產(chǎn)生強(qiáng)電離非平衡等離子體射流(20);第二級是在兩個(gè)相對噴射的非平衡等離子體射流(20)上重新導(dǎo)入一個(gè)強(qiáng)電場(18) (19)，在兩射流相交處起弧重復(fù)放電；在氣流(8)或磁場(7)的驅(qū)動下，電弧經(jīng)歷起弧到息弧的反復(fù)循環(huán)過程，可產(chǎn)生高氣壓滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體(20);經(jīng)過兩級耦合強(qiáng)電離放電折合電場強(qiáng)度E/n>350Td、電子平均能量Te>10Ev，產(chǎn)生的電子濃度>1016/cm3的強(qiáng)電離非平衡等離子體，而發(fā)生器工質(zhì)溫度仍在高溫材料可承受的范圍之內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種高氣壓滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器￠)，其特征在于，第二級強(qiáng)電場電源(19)是由導(dǎo)入電極(18)傳遞給等離子體射流(20)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種高氣壓滑移弧強(qiáng)電離放電非平衡等離子體發(fā)生器￠)，其特征在于，利用導(dǎo)電性良好的等離子體射流(20)作為放電電極。
【文檔編號】H02K44/08GK103441641SQ201310390371
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年9月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月2日
【發(fā)明者】董國光 申請人:董國光