Автореферат (Магнитная система теплоэнергетической установки на постоянных магнитах)

На правах рукописиГАБРИЕЛЯН Давид АлександровичМАГНИТНАЯ СИСТЕМАТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИНА ПОСТОЯННЫХ МАГНИТАХСпециальность 05.14.08«Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква - 2013Работа выполнена в Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) (МАИ)Научный руководитель:доктор технических наук, профессорСеменов Василий ВасильевичОфициальные оппоненты:Графкина Марина Владимировнадоктор технических наук, профессор,Московский государственный машиностроительныйуниверситет (МАМИ), зав. кафедрой «Экология ибезопасность жизнедеятельности»Иванов Игорь Эдуардовичкандидат физико-математических наук,Московский государственный университет (МГУ),доцент.Ведущая организация:Федеральное государственное унитарное предприятие«Центральный институт авиационногомоторостроения имени П.И.

Баранова (ЦИАМ)»Защита состоится «18» ноября 2013 г. в 13 час 00 на заседании диссертационного совета Д 212.125.08, созданного на базе Московского авиационного института(национального исследовательского университета) (МАИ).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета) (МАИ).Автореферат разослан «17» октября 2013 г.Учёный секретарьд.т.н., профессорЗуев Юрий Владимирович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыДля совершенствования и широкого применения в народном хозяйстве спутниковых систем необходимо создание крупных орбитальных пилотируемых и промышленных комплексов.

Создание таких комплексов во многом зависит от ее системыэлектроснабжения, которая существенно влияет на общую массу станции, надежностьи управление, а также на её стоимость. Так, с усложнением решаемых задач и увеличением срока активного существования космических аппаратов резко возрастают потребности их бортовой аппаратуры в энергии.Существующие различные источники электрической энергии и преобразователи,такие как фотоэлектронные преобразователи солнечной энергии – кремниевые элементы (8x8 см) с электрохимическим накоплением энергии (никель-кадмиевые и никель-водородные батареи); источники, построенные на преобразовании солнечнойэнергии в тепловую с термическим накоплением энергии путем генерации кислородаи водорода в процессе электролиза воды; атомные энергетические установки имеютряд недостатков.

Так, фотоэлектронные преобразователи имеют низкий КПД, а методнакопления электрической энергии имеет низкую эффективность и надежность. Дляатомных станций необходим массивный экран для защиты от радиации. Такимобразом, для обеспечения растущей потребности в электроэнергии космическихстанций следует совершенствовать систему их энергопитания и искать новые направления развития космической энергетики.В развитии экологически безопасных технологий преобразования энергии всебольшее распространение получают энергетические установки, основанные на магнитотепловых явлениях.

Эти явления были обнаружены еще в 1881 г. Е. Варбургом,наблюдавшим нагрев железа при внесении его в магнитное поле.В настоящее время под магнитотепловыми явлениями понимают изменение теплового состояния магнетиков (внутренней энергии, температуры) при изменении ихмагнитного состояния, включая магнитокалорический эффект (МКЭ), потери энергиипри магнитном гистерезисе и изменении их теплофизических характеристик.Работа посвящена актуальной проблеме создания альтернативных источниковэлектропитания в области энергетического обеспечения космических систем, а такжев авиации для создания систем автономного энергообеспечения.

Одним из таких источников электропитания может стать теплоэнергетическая установка на постоянныхмагнитах – магнитотепловой двигатель (МТД), использующий для своей работыэффект преобразования магнитотепловой энергии в механическую и/или электрическую. По сравнению с современными фотоэлементами и термоэлектрическими преобразователями магнитотепловые двигатели обладают большей снимаемой удельноймеханической мощностью, что позволяет использовать их в тех условиях (диапазонрабочих температур Δt = 20±5 °С), где другие известные технологии преобразованияэнергии не дают ощутимого выхода.Принцип работы установки магнитотепловой технологии основан на зависимости магнитных свойств рабочего тела (ферро- и ферримагнетиков) от температуры.С открытием Пьером Кюри (1895 г.) температуры (точки Кюри), при которойферромагнитные изначально вещества, такие как железо, при нагреве теряли своимагнитные свойства, становясь при этом парамагнитными, возник интерес к изучению данного явления.

Открытие магнитных свойств редкоземельного металла – гадолиния (Gd), у которого точка Кюри лежит в пределах комнатной температуры3(18...20°С), дало возможность пересмотреть магнитотепловую технологию. С этогомомента возникло множество работ с различными вариантами конструктивного решения и попытками создания магнитотепловой установки, предназначенной для преобразования магнитотепловой энергии в механическую или электрическую.За рубежом исследованием магнитотепловой технологии и созданием магнитотеплового двигателя занимались Тесла Н., Эдисон Т., Эллиот Дж.Ф. (США); КатаямаА. (Япония), Бьерк Р., (Дания); Роудант Дж., Боучекара Х.Р. (Франция); КитановскийА., (Словения); Трапанезе M., (Италия) и др., а в России – Бедбенов В.С.,Манджавидзе А.Г., Бучельников В.Д.

и др.Работа МТД основана на использовании запасенной энергии постоянных магнитов, на способности магнитотвердого материала быть источником магнитного поляна длительное время и возможности магнитомягкого материала (ферромагнетика)многократно намагничиваться и размагничиваться. Несмотря на то, что электромагниты позволяют получить бόльшие значения магнитной индукции, в ряде случаевиспользование постоянных магнитов предпочтительнее, т.к. они не требуют системыохлаждения, просты по конструкции и надежны в эксплуатаци. Таким образом, постоянные магниты являются основными источниками магнитного поля для компактных современных устройств и систем.Как известно, на мусоросжигательных заводах, компрессорных станциях, ТЭС идругих предприятиях используется оборотная вода для охлаждения камер сгорания,блоков цилиндров или образования пара, идущего на раскрутку лопаток турбины.

Дляутилизации теплоты оборотной воды, после использования ставшей горячей, какнельзя кстати подойдет магнитотепловой двигатель, испольующий горячую воду дляразмагничивания гадолиниевых пластин, расположенных между магнитами.Кроме того, в Сибири, особенно, на Крайнем Севере оленеводы, охотники игеологи, работающие в полевых условиях, остро нуждаются в неприхотливыхпортативных электрических станциях, работающих на альтернативном топливе.

Дляэтой цели лучше всего подошел бы магнитотепловой двигатель, использующий длянагрева гадолиниевых пластин горячую воду, нагретую на походной металлическойпечи, а для охлаждения пластин – холодный воздух, подведенный по трубе с улицы.Несмотря на большое количество научных исследований в этой области, разработок и патентов, опубликованных за последнее время, нет существенных результатов, позволяющих создать промышленные образцы двигателей, генераторов и холодильников. Это связано с большим количеством параметров, возникающих по мерепроектирования МТД и требующих их оптимизации.

Решение этой проблемы видитсяв проведении численных расчетов с использованием компьютерного моделированияосновных узлов установки и прежде всего магнитной системы и ее привязки к магнитным характеристикам рабочего тела.Цель работы:разработка магнитной системы для теплоэнергетической установки на постоянных магнитах с целью увеличения её магнитной индукции и вовлечения в градиентное поле межполюсного зазора большей массы рабочего тела – гадолиниевых пластин,приводящих к увеличению крутящего момента на валу ротора и, соответственно,удельной мощности двигателя.Задачи работы:1.

Разработка методов проектирования магнитной системы (МС) теплоэнергетической установки на постоянных магнитах;42. Вычислительное и экспериментальное исследования получения неоднородногополя вдоль межполюсного зазора магнитной системы;3. Модернизация конструкции магнитотеплового двигателя с целью интенсификации теплообмена и увеличения его механической мощности;4.

Разработка рекомендаций по проектированию магнитнотеплового двигателя.Научная новизна работы:1. Разработаныметодыпроектированиямагнитнойсистемы(МС)теплоэнергетической установки на постоянных магнитах, заключающийся в:- создании градиентного распределения магнитного поля вдоль межполюсного зазора(МПЗ) постоянных магнитов (ПМ) путем варьирования ширины сечения ПМ вдольМПЗ;- использовании постоянных магнитов с различной остаточной намагниченностью таких, как АЛНИКО и твердые ферриты в сочетании с магнитами на редкоземельнойоснове, что экономически оправданно из-за высокой стоимости магнитов на редкоземельной основе.2. На основе численного моделирования магнитной системы с использованием двух- итрехмерной геометрии определены оптимальные размеры постоянных магнитов всоотношении 1:0,7:0,8 и геометрии межполюсного зазора (угол сужения α = 26°÷36°,отношение длины прямого участка к всей длине зазора 0,2 : 1).3.

Предложена новая конструкция теплоэнергетической установки на постоянныхмагнитах. Новизна конструкции подтверждена патентами РФ на полезную модель№№ 118369, 121873 (2012 г.); заявка RU 2013110771 решение о выдаче патента2013.08.05.Практическая значимость результатов работы:1. Применение разработанной магнитной системы существенно повысит эффективность преобразования энергии на теплоэнергетической установке на постоянныхмагнитах, что приведет к увеличению её мощности.2.

Ведутся переговоры на заключение договора на НИР между МАИ и Академией наук Республики Саха (Якутия) на разработку модельного МТД мощностью 250 ватт.3. На кафедре «Ракетные двигатели» МАИ создана установка для определения мощности, создаваемой лабораторной моделью МТД. На установке проводятся лабораторные работы по курсу «Энергосберегающие системы и устройства» со студентамистарших курсов и научно-исследовательская работа по изучению характеристик МТД.Достоверность результатов работы обеспечена: использованием современных математических методов и сертифицированнойпрограммы ANSYS для решения прикладных задач магнитостатики; согласованием результатов численного моделирования с результатами экспериментальных измерений на стенде с использованием динамометра для измерениявозникающей силы магнитного притяжения при использовании тестируемых ферромагнитных материалов; согласованием результатов расчета с экспериментальными данными, полученными при испытании лабораторной модели магнитотеплового двигателя.Личный вклад автораВсе результаты, представленные в работе, получены либо лично автором, либопри его непосредственном участии.Публикации, отражающие полноту изложения материалов диссертации:По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 2 публикации вжурналах из перечня ВАК и 2 патента на полезную модель РФ.5Апробация работы.Основные результаты диссертационной работы обсуждены на:- 9-ой Международной конференции «Авиация и космонавтика – 2010», тема доклада«Альтернативная энергетика.