Привет Хабр!
Хотелось бы поделиться с уважаемым сообществом некоторыми идеями, которые уже привели к получению патента РФ на изобретение, и позволяют создать эффективную энергоустановку без механически движущихся частей.
Несколько лет назад, я увидел на YouTube видео, описывающие прибор под названием Fluidyne. По сути, это двигатель Стирлинга, в котором используется жидкий поршень, совершающий колебательные движения в процессе работы.
Такой прибор может быть реализован и в многоступенчатом варианте:
![Двухступенчатый Fluidyne, нагруженный холодильником. Двухступенчатый Fluidyne, нагруженный холодильником.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/900/4d0/041/9004d00418442f0386ae1cdbc660768b.png)
Первой мыслью, когда я увидел это устройство, было —
«а не прикрутить ли к ней МГД‑генератор, заменив жидкость на электропроводную, например — NaK эвтектику?! »
Идея, в принципе, реализуемая — но с рядом критических недостатков — в частности, мешает высокое внутреннее трение в жидкости, снижающее общий кпд, ограниченная рабочая частота (инерционные силы в жидком поршне, вызывающие отрыв капель), и возможность работы этой установки только в горизонтальном положении в поле силы тяжести, т. к. в противном случае возможен перелив жидкости между секциями.
Несмотря на то, что был ряд идей по улучшению такой конструкции (например, размещение жидкого поршня в частично смачиваемых капиллярах (см. рисунок) — что могло бы обеспечить работу установки в произвольном положении, в т. ч. в невесомости, эта схема не казалась мне перспективной, и пытаться патентовать её я не спешил.
![частично смачиваемый капилляр частично смачиваемый капилляр](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a17/e07/fb7/a17e07fb799d212876e02ea8247a0b4f.png)
Некоторое время спустя, тут на Хабре я встретил статью (с Хабра она по неизвестным причинам пропала, но сохранилась в других источниках) о сборке многосекционного кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга, по сути – тот же Fluidyne, но без жидкого поршня, т.е. колебания возбуждаются непосредственно в рабочем теле.
![Действующий образец кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга Действующий образец кольцевого термоакустического двигателя Стирлинга](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4a5/996/abc/4a5996abc15482eb226c263dd2489e80.jpeg)
Однако, в таком аппарате предполагалось возможность вывода полезной работы из цикла только механическим путем, например с помощью двунаправленной импульсной турбины или линейного альтернатора.
Хотя в комментариях проскакивала идея использовать ионизированный газ как рабочее тело, и применить МГД-преобразование, при этом ионизацию рабочего тела обеспечить путем размещения установки внутри ядерного реактора, являющегося заодно и источником теплоты. Неплохая идея, но сильно ограничивает спектр возможных применений )
Собственно, на данный момент, в технике есть два довольно развитых направления МГД преобразования — установки, использующие жидкие металлы (в основном, это насосы на различных литейных производствах), и установки на неравновесной плазме с легко ионизирующимися присадками (обычно на базе щелочных металлов). С жидкометаллическими МГД‑генераторами основная сложность заключается в разгоне рабочего тела (что приводит к общей низкой эффективности), у плазменных установок — низкий ресурс МГД‑канала (т. к. плазма штука весьма горячая и агрессивная к конструкциям), также есть некоторые сложности и с возвратом присадки в цикл.
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/58e/078/da9/58e078da9e20cdc389a4fd345bff588c.png)
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/032/af4/82e/032af482e49cc0daec9301f210ad291e.png)
Хотя в литературе встретился и довольно интересный вариант, где энергия колебаний газа термоакустического Стирлинга передаётся жидкометаллическому поршню, подвешенному в магнитом поле, а колебания этого поршня вызывают изменение поля в катушке, что и позволяет выводить энергию из цикла индукционным способом. Однако, это устройство, на мой взгляд, ограничено малыми мощностями (сложность обеспечения удержания левитирующего поршня, только термоакустический цикл).
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/399/8f1/b17/3998f1b17e2157ccdb5469d9aa0a4f54.png)
Однако, зерно идеи уже запало в голову, и как‑то раз пришло озарение — а что, если использовать в качестве рабочего тела электропроводный сверхкритический флюид? Ведь сверхкритический флюид, в отличии от жидкости, сжимаем (а значит, может быть рабочим телом в термодинамическом цикле), и, в отличии от газов — может быть проводником.
Оставалось только найти подходящий вариант такого флюида. Первой мыслью было поискать что‑то, растворяющееся в сверхкритической углекислоте (самый распространённый и хорошо освоенный на данный момент СКФ), однако простых вариантов с высокой электропроводностью обнаружить не удалось.
Дальнейший поиск дал результат — оказывается, ещё в 70х годах, было обнаружено, что сверхкритические растворы щелочных металлов в аммиаке (и аминах) — сохраняют довольно высокую электропроводностью и в СКФ‑состоянии. Бинго!
![“Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы” «Наука», 1971 УДК 533.9.15, стр.282 “Очерки физики и химии низкотемпературной плазмы” «Наука», 1971 УДК 533.9.15, стр.282](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/697/1f2/698/6971f269891bb180f3fac11e1bf59c79.png)
Или, более актуальных единицах системы СИ:
![](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5a9/240/25c/5a924025cad352b58397be52fc533408.png)
Что примерно на два порядка лучше, чем электропроводность неравновесной плазмы инертных газов с присадкой цезия (до 300 См/м).
Таким образом, применяя данное рабочее тело, можно реализовать устройства прямого МГД‑преобразования теплоты в электроэнергию, как на базе цикла Брайтона, том числе, и с регенеративным теплообменником, так и на базе термоакустического цикла Стирлинга.
КПД, в данном случае, определяется потерями на внутреннее трение в рабочем теле (в СКФ они больше чем в газе, но меньше, чем жидкости), перепадом температур нагревателя (аммиак начинает распадается при 1500С, т. е. выше нагреть не выйдет) и охладителя (критическая точка аммиака около 130С и примерно 115 атмосфер), и проводимостью рабочего тела. Но, к сожалению, я не настолько дружу с физикой, что бы его посчитать:(
Надеюсь в этом вопросе на содействие сообщества)
Ниже приведены несколько возможных вариантов реализации таких установок:
![Схема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона, с индукционным компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез) Схема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона, с индукционным компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7ea/666/aeb/7ea666aebd4e152a50a4e39b2f10de0c.png)
![патенСхема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона с регенерацией теплоты, с кондукционным цетробежным МГД-компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез) патенСхема МГД-установки, реализующий цикл Брайтона с регенерацией теплоты, с кондукционным цетробежным МГД-компрессором и кондукционным дисковым МГД-генератором (вид сбоку, разрез)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/e8a/c1b/5e6/e8ac1b5e67e3b8f30d00ea730e937f31.png)
![Схема трехступенчатого термоакустического генератора с кондукционным МГД-генератором в одной из ступеней, объединенных общим резонатором (вид сбоку, разрез) Схема трехступенчатого термоакустического генератора с кондукционным МГД-генератором в одной из ступеней, объединенных общим резонатором (вид сбоку, разрез)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/4b7/43f/658/4b743f6581fa573030b10e3f734bc117.png)
Есть некоторые нюансы с постепенным разложением аммиака (через образование амида натрия и его последующим разложением в горячем теплообменнике) на азот и водород, но в установках периодического действия — они, на мой взгляд, вполне решаемы охлаждением рабочего тела до докритического состояния, отводом газовой фазы, и пополнением контура жидким аммиаком.
Дальнейшее довольно тривиально — оторвать кусочек от семейного бюджета, и подать патентную заявку на способ, и отдельные варианты устройств для его осуществления.
Потом более чем полгода ожидания и переписки с Роспатентом, с доказыванием экспертизе, что это не вечный двигатель (и кто‑то плохо учил физику в школе) — и патент на руках.
Первоначальный отказ в выдаче патента, с обоснованием от экспертизы:
![избранные моменты из переписки с экспертизой :) избранные моменты из переписки с экспертизой :)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/3e1/30c/ecc/3e130cecc896ac1a43ea465c00d2d596.png)
![Избранные моменты переписки, ч.2 - отказ в выдаче патента Избранные моменты переписки, ч.2 - отказ в выдаче патента](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5a9/641/a48/5a9641a48a150400ff7ef7e18256f4b2.png)
Ответы автора экспертизе:
![Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями. Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5b9/0d3/b92/5b90d3b9242690acea223850b064a591.png)
![Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями. Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/dc7/6c6/823/dc76c6823d905b768df82b999a0057a6.png)
![Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями. Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/9a2/5c8/6ac/9a25c86ac120d40f2a121d7d32e48c59.png)
![Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями. Ответы автора экспертизе, с дополнительными разъяснениями.](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/1b5/2d3/93b/1b52d393b1e28cf9ae4fb61071ea9177.png)
И результат:
![Мелочь, но приятно) Мелочь, но приятно)](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/426/a77/85f/426a7785f9ad658dedd137d2769fd780.png)
К сожалению, в процессе патентования в РФ, желающих профинансировать зарубежные патентные заявки не нашлось, как и собственных средств на это, так что в прочих странах — эта идея теперь доступна к практической реализации всем желающим.
То же касается и практической реализации — заинтересантов найти не удалось... Надеюсь, статья на Хабр тут может помочь)))
Автор готов к сотрудничеству с любым, кто возьмётся за практическую реализацию данной идеи, как в РФ, так и за рубежом.
Потенциальный спектр применения крайне широк — это энергетические установки с практически неограниченным ресурсом, произвольной мощности (от домашнего CHP на пару киловатт, до сотен мегаватт и более), бесшумные (кто‑то подумал про подводные лодки?:)...
Возможно сопряжение с различными типами источниками теплоты (от солнечного коллектора, до топки на дровах или ядерного реактора, в т. ч. прямо внутри корпуса реактора), с возможностью использования в космосе (т. к. не требуется наличие поля силы тяжести).
В завершение, хотелось бы высказать благодарность альма‑матер ЛКИ (ныне СПбГМТУ), где все же умудрились научить раздолбая студента основам термодинамики (несмотря на стойкое сопротивление) и почтить память Фасолько Оскара Юльевича, только благодаря которому я все же закончил этот прекрасный ВУЗ с квалификацией «Морской инженер».
Ссылка на Патент РФ 2806344
P.S.: В комментариях (на другом ресурсе) подсветили возможную проблему с предлагаемым рабочим телом - весь натрий из раствора рано или поздно перейдет в амид натрия. И, несмотря на то, что в реальной установке возможна регенерация рабочего тела, этого желательно избежать.
Однако, похоже, есть способ ингибировать образование амида.
Так как электропроводность натрий-аммиачных растворов обеспечивается сольватированными электронами, существует принципиальная возможность связать ионы натрия в этом растворе в комплекс, при помощи равного натрию мольного количества кроун-эфира. Полагаю, при этом образование амида может существенно снизиться, если не прекратиться полностью.
Описанный выше процесс происходит при получении электридов, но в данном случае достаточно первого этапа - т.е. образования комплекса кроун-эфир/натрий.
При растворении металлического натрия в жидком аммиаке происходит сольватация ионов (так же, как при растворении NaCl в воде). Сольватирующий растворитель — жидкий аммиак. В растворе образуются катионы Na+, и анионы — сольватированные аммиаком электроны е− (если полученный раствор испарить, то аммиак легко удалится при комнатной температуре, электрон вернётся к иону натрия, и вновь получится исходный металлический натрий).
Na0 + NH3 (жидк.) = Na+ (NH3)n + е− (NH3)m
Для получения электрида в полученный раствор натрия в жидком аммиаке добавляют краун-эфир, причём такой, который хорошо сольватирует именно катион натрия, при этом соблюдают мольное отношение краун-эфир/натрий = 1/1. Затем аммиак испаряют, электрон не сможет вернуться к натрию, поскольку катион Na+ плотно заблокирован краун-эфиром. В результате образуется вещество, у которого в кристаллической решётке находятся ионы натрия, укрытые краун-эфиром, а в межкристаллическом пространстве располагаются свободные, не сольватированные электроны, (краун-эфир сольватирует только катионы натрия).
Благодаря исключительно малым размерам электроны в таком соединении могут свободно перемещаться в межкристаллическом пространстве, соединение приобретает довольно высокую электропроводность, близкую к металлам.
Комментарии (12)
goldexer
29.03.2024 13:50+3Рабочие баллоны с азотом в мастерской близко к сотке. Давление топлива современных автомобильных двигателей в рампе нормально 800...2000 атмосфер, но может достигать 3000. И ничего, каждый день сотнями тысяч по миру ездят. А теперь первые лампы накаливания вспомните - с высоты прогресса смех да и только. Нужна реализация и ее совершенствование.
SADKO
29.03.2024 13:50+1Интересно девки пляшут в Роспатенте, регистрируют всякую фигню, а тут решили докопаться на ровном месте :-)
...по поводу регистрации, всем для кого это имеет значение, я бы рекомендовал воздержаться от публикации серьёзных вещей до поры....
RMavrichev Автор
29.03.2024 13:50Да, тоже был здорово удивлён, ведь в данном случае конкретные реализации вполне очевидны, весь фокус в рабочем теле.
Хотя, возможно, с предлагаемым вариантом "натрий+аммиак" - есть проблема, т. к. вероятно, амид при высоких температурах (в нагревателе) и в СКФ, будет образовываться быстрее, чем в холодном жидком аммиаке. Тут хорошо бы химиков услышать... Возможно, есть способ ингибировать эту реакцию.
OGR_kha
29.03.2024 13:50MVP не пробовали сделать? Отношение потенциальных инвесторов сразу другое, если можно пощупать и увидеть...
RMavrichev Автор
29.03.2024 13:50На коленке такое не собрать, а желающих попробовать вложиться в исследования и опытный образец, найти исполнителей, лабораторию, организовать процесс- тоже не нашёл. Хотя под такое дело, теоретически, можно грант от фонда содействия инновациям получить, тема под их ограничения подходит.
Собственно, это основная причина появления данной статьи - возможно, кто-то заинтересуется.
starfair
29.03.2024 13:50+1Ну, оно и понятно. Хотя некоторые DYIщики даже газотурбиновые двигатели умудряются клепать. Мое мнение - обратиться с прадложением по дальнейшему НИОКР в Минобороны. Тема в принципе должна их интересовать, ибо это и генератор тепла+генератор тока, без движущихся деталей. По идее вполне их тема.
Komrus
Прочитал, как и любое описание перспективной новинки - с большим интересом.
Только вот упомянутые в тексте "примерно 115 атмосфер" у меня в голове плохо сочетаются с предлагаемыми далее по тексту "домашним CHP на пару киловатт". :)
Правильно ли я понял Автора, что параметры рабочего тела для предлагаемого процесса будут изменять в диапазоне от 400 до 1700 градусов Кельвина с давлением более 115 атмосфер?
RMavrichev Автор
Да, именно так. Разностью температур нагревателя и холодильника определяется термодинамический КПД, т.е. чем она больше - тем лучше. А поддержание давления выше критического (и температуры выше 130С) - необходимо для того, что бы рабочее тело оставалось в состоянии СКФ.
115 атмосфер - это конечно немало, но вполне достижимо технически, по сути - внешняя оболочка устройства - это сосуд высокого давления.
U235U235
Интересно, а какой конструкционный материал выдержит 100 атм и 1000 градусов? А еще у сталей бывает водородное охрупчивание..
RMavrichev Автор
Это вопрос, требующий дальнейшей проработки :)
Свободного водорода в такой установке по идее не должно быть много, несмотря на постепенное образование и распад амида натрия. Хотя тут не помешала бы консультация химика)
hw_store
Например, температура рабочего тела в двигателе внутреннего сгорания - 600-800 градусов Цельсия.
...А, например, давление в топливной рампе автомобильного дизельного двигателя - 1000-2000 атмосфер, и как-то это всё существует в нашем с вами быту.
RMavrichev Автор
На всякий случай, поясню - под "домашним CHP" подразумевался отопительный котёл для домовладения (самый ходовой типоразмер 24кВт или около того), дополнительно к теплу - вырабатывающий ещё и несколько кВт электрической мощности (условно-бесплатной).
Причем размещение такого котла - возможно и снаружи здания в ящике (сейчас это довольно часто практикуется, что бы не обустраивать теплогенераторную под требования газовщиков).