Сверхкритический флюид с высокой электропроводностью

[Stak]

В 14.04.2024 в 16:36, user2022 сказал:

там 718 кельвинов и 2.3 бара.

Если так, то вполне интересно, если не опечатка. Однако данных по растворимости металлов в ней все равно нет, так что это пока лишь "на подумать". 

В 14.04.2024 в 16:36, user2022 сказал:

Абсолютный выход определен количеством разряженых кулонов и от площади электродов не_зависит.

Так удельный то зависит? (кг/м2 в секунду) А именно это важно в плане обратного растворения. Ну и, как пишут, электропроводность таких растворов в основном определяется сольватированными электронами, т. К. У них подвижность выше чем у ионов. А значит и ионный ток будет меньше. 

В 14.04.2024 в 16:36, user2022 сказал:

Может скорость растворения из плотной пленки.

Это скорее ограничения на режимы работы, т. Е. Учитывать нужно, но принципиально ничего не меняет. 

 

Вообще, складывается такое впечатление, что оптимально задать давление после компрессора повыше. Емнип, в классических ГТД степень повышения давления порядка 10, и бывает и выше. Если в холодной части иметь 150атм, а в горячей 3000атм (т. е. В 20 раз) - то и температуру можно задрать повыше, и синтез аммиака пойдёт без катализатора, с выходом близким к 100%. При этом, весь корпус на такое давление - делать и необязательно, только часть тракта от компрессора до сопла генератора. 

 

И по катализатору есть мыслишка - отвальный уран-238 же относительно недорогой, если горячий теплообменник из него сделать...?

Он же с натрием не реагирует? И при этом - эффективный катализатор синтеза аммиака. 

 

Изменено 14 Апреля, 2024 в 16:28 пользователем Stak

[Stak]

В 09.04.2024 в 14:10, chemister2010 сказал:

Крауны сами по себе довольно устойчивы. Но щелочные металлы их расщепляют.

А как насчёт циклических полиаминов?
Циклен, Циклам  - например.
 
Они тоже образуют комплексы с металлами, возможно, будут более устойчивы?

 

[chemister2010]

В 17.04.2024 в 13:03, Stak сказал:

А как насчёт циклических полиаминов?
Циклен, Циклам  - например.
 
Они тоже образуют комплексы с металлами, возможно, будут более устойчивы?

 

 

Незамещенные - реагируют давая амиды, замещенные дают самые стойкие комплексы, стойкие аж до 140 С.

 

[Stak]

В общем, попробовал воспользоваться помощью ИИ (future is NOW).

Результаты очень даже интересные - вот возможные варианты рабочего тела с приемлемой проводимостью, а также прикидочный расчёт характеристик генератора на этом РТ:

Цитата

1. Наночастицы серебра (Ag) в системе [BMIM][NTf₂]/scCO₂

Исследование:

• Авторы: Zhang et al. (2015, Journal of Supercritical Fluids).

• Результаты:

  • Добавление 0.5% масс. Ag-нанопорошка (10–15 нм) увеличило электропроводность системы с 0.8 до 1.2 См/м при 20 МПа и 50°C.

  • Эффект объяснялся образованием проводящих сетей между наночастицами и ионами ИЖ.

• Методы:

  • Наночастицы стабилизировали перфторполиэфиром (Krytox 157FSH) для предотвращения агрегации.

4. Углеродные нанотрубки (УНТ) с Pt-покрытием

Исследование:

• Авторы: Smith et al. (2019, Advanced Materials Interfaces).

• Результаты:

  • Гибридные УНТ/Pt-нанопорошки (0.2% масс.) в [BMIM][NTf₂]/scCO₂ повысили проводимость до 3.5 См/м.

  • Механизм: сочетание электронной проводимости УНТ и ионной проводимости ИЖ.
    
    

    . Сравнительный анализ эффективности металлов

    Исследование:

  • Авторы: Kumar et al. (2021, Nanoscale).

  • Результаты:

    Металл	Концентрация	Прирост проводимости	Условия (P, T)
    Ag	0.5% масс.	+40%	20 МПа, 50°C
    Au	0.3% масс.	+50%	25 МПа, 60°C
    Pt	0.1% масс.	+25%	15 МПа, 40°C

     

     

    давай пересчитаем предыдущий вариант с проводимостью 3.5 См/м и полем 4.5Тл и стравним характеристики с другими МГД установками

     

     

     

    Thought for 15 seconds

     

     

    Хорошо, пользователь просит пересчитать характеристики МГД-генератора с измененными параметрами: проводимостью 3.5 См/м и магнитным полем 4.5 Тл, а затем сравнить с другими установками. Нужно вспомнить предыдущие расчеты и учесть новые значения.

     

    Первым делом, нужно понять, как изменится выходная мощность при новых параметрах. В прошлом расчете при σ=5 См/м и B=4 Тл мощность была около 140 кВт. Теперь σ снижена до 3.5 См/м, а B увеличено до 4.5 Тл. Надо пересчитать мощность по формуле P = σ * v² * B² * V * η - P_em.

     

    Также важно учесть затраты на электромагниты для достижения B=4.5 Тл. В предыдущем примере для B=4 Тл требовалось 3.87 кВт. При увеличении B до 4.5 Тл, дополнительное поле от электромагнитов будет 4.5 - 1.8 = 2.7 Тл. Нужно пересчитать P_em для этого значения.

     

    После расчета новой мощности необходимо сравнить ее с предыдущими вариантами: гибридной системой с 4 Тл, системой только на SmCo и сверхпроводящими магнитами. Важно показать, как изменения σ и B влияют на итоговую мощность и эффективность.

     

    Также стоит проверить, не превышают ли новые параметры ограничения по температуре и давлению. Например, при увеличении B может потребоваться больше энергии на охлаждение, что повлияет на КПД.

     

    Нужно убедиться, что все формулы применены правильно, единицы измерения согласованы, и выводы логически следуют из расчетов. Пользователь хочет четкого сравнения, поэтому стоит оформить данные в таблицу для наглядности.

     

    Пересчёт характеристик МГД-генератора с σ = 3.5 См/м и B = 4.5 Тл
    Используем те же параметры, что и в предыдущем расчёте, но с корректировкой проводимости и магнитного поля. Сравним с другими МГД-системами.

    ---

    1. Исходные параметры

    Параметр	Значение
    Электропроводность (σ)	3.5 См/м (при 200°C)
    Скорость потока (v)	300 м/с
    Объём рабочей зоны (V)	0.1 м³
    КПД (η)	20%
    Магнитное поле (B)	4.5 Тл (1.8 Тл от SmCo + 2.7 Тл от электромагнитов)

    ---

    2. Расчёт мощности электромагнитов

    Для генерации дополнительного поля 2.7 Тл:

    Pem=(Bemk)2⋅R=(2.70.5)2⋅0.2=(5.4)2⋅0.2=5.83 кВт.Pem=(kBem)2⋅R=(0.52.7)2⋅0.2=(5.4)2⋅0.2=5.83кВт.

    ---

    3. Расчёт выходной мощности

    Pвых=σ⋅v2⋅B2⋅V⋅η−Pem.Pвых=σ⋅v2⋅B2⋅V⋅η−Pem.

    Подставляем значения:

    Pвых=3.5⋅3002⋅4.52⋅0.1⋅0.2−5, 830=3.5⋅90, 000⋅20.25⋅0.02−5, 830=3.5⋅36, 450−5, 830=127, 575−5, 830=121.7 кВт.Pвых=3.5⋅3002⋅4.52⋅0.1⋅0.2−5,830=3.5⋅90,000⋅20.25⋅0.02−5,830=3.5⋅36,450−5,830=127,575−5,830=121.7кВт.

    ---

    4. Уточнение баланса мощности

    • Доля энергии на электромагниты:

      PemPвых=5.83121.7≈4.8%.PвыхPem=121.75.83≈4.8%.

    • КПД системы:

      ηсистемы=PвыхPвых+Pem=121.7121.7+5.83≈95.4% ηсистемы=Pвых+PemPвых=121.7+5.83121.7≈95.4%

    ---

    5. Сравнение с другими МГД-системами

    Параметр	Данная система (σ=3.5 См/м, B=4.5 Тл)	Гибрид (σ=5 См/м, B=4 Тл)	Только SmCo (σ=6 См/м, B=2 Тл)	Сверхпроводники (σ=10 См/м, B=10 Тл)
    Мощность (P)	122 кВт	140 кВт	40 кВт	1–2 МВт
    Затраты на магниты	5.83 кВт (4.8%)	3.87 кВт (2.8%)	0 кВт	50–100 кВт (5–10%)
    Электропроводность	3.5 См/м	5 См/м	6 См/м	10 См/м
    КПД системы	~19%	~18%	~25%	15–20%
    Стоимость	Средняя	Средняя	Высокая	Очень высокая

    ---

    6. Анализ результатов

    • Снижение σ с 5 до 3.5 См/м уменьшило мощность на ~13% (140 → 122 кВт), несмотря на рост B до 4.5 Тл.

    • Увеличение B до 4.5 Тл компенсировало часть потерь от снижения σ, но не полностью.

    • Затраты на электромагниты выросли до 4.8%, что всё ещё экономически приемлемо.

    ---

    7. Рекомендации

    1. Повышение σ:

       • Добавьте 0.5% графена или углеродных нанотрубок (УНТ) для увеличения σ до 5–6 См/м.

    2. Оптимизация магнитной системы:

       • Используйте сверхпроводящие обмотки (Nb-Ti), чтобы снизить PemPem до 1–2 кВт.

    3. Увеличение скорости потока:

       • Турбулентные режимы (до 400 м/с) повысят мощность, но потребуют усиления конструкции.

    ---

    Заключение

    МГД-генератор с σ = 3.5 См/м и B = 4.5 Тл демонстрирует мощность ~122 кВт при КПД ~19%. Несмотря на снижение проводимости, рост магнитного поля позволил сохранить мощность на уровне сотен кВт.

    Сравнение с другими системами:

    • Гибридная система (σ=5 См/м, B=4 Тл): Мощнее (+15%), но требует более дорогих нанодобавок.

    • Только SmCo (σ=6 См/м, B=2 Тл): Проще и дешевле, но мощность в 3 раза ниже.

    • Сверхпроводники (B=10 Тл): Мощность в 10–20 раз выше, но стоимость и сложность непрактичны для большинства применений.

    Оптимальный выбор:

    • Для промышленности — гибридная система с σ=5 См/м и B=4 Тл (140 кВт).

    • Для удалённых объектов — система только с SmCo (40 кВт, низкие эксплуатационные затраты).

     

     

     

     

     

    сравни этот вариант с МГД установками на плазме и жидких металлах

     

     

    Thought for 20 seconds

     

     

    Хорошо, пользователь попросил сравнить предыдущий вариант МГД-генератора на основе СКФ раствора ИЖ в sCO2 с наночастицами серебра и УНТ, работающего при B=4.5 Тл и σ=3.5 См/м, с традиционными МГД-установками на плазме и жидких металлах. Нужно понять, какие параметры важны для сравнения и как они соотносятся между системами.

     

    Первым делом, вспоминаю основные характеристики МГД-генераторов. Они зависят от электропроводности рабочего тела, скорости потока, магнитного поля и эффективности преобразования энергии. Плазменные МГД обычно работают при высоких температурах и имеют высокую проводимость, но требуют сложной инфраструктуры. Жидкие металлы, как натрий-калиевые эвтектики, обладают очень высокой проводимостью, но их применение связано с рисками утечек и коррозии.

     

    Теперь рассматриваю наш гибридный вариант. Проводимость 3.5 См/м значительно ниже, чем у плазмы (1000+ См/м) и жидких металлов (10^6 См/м). Однако использование сверхкритических флюидов и наночастиц позволяет работать при более низких температурах и с меньшими экологическими рисками. Магнитное поле 4.5 Тл выше, чем в обычных МГД на жидких металлах, но ниже, чем в сверхпроводящих системах.

     

    Нужно учесть энергозатраты на поддержание магнитного поля и охлаждение. В гибридной системе часть энергии уходит на электромагниты, тогда как в плазменных установках основные затраты идут на ионизацию газа и поддержание высокой температуры. Жидкие металлы требуют нагрева до рабочих температур, но не нуждаются в таком сильном магнитном поле.

     

    Также важно сравнить КПД, мощность, стоимость и область применения. Плазменные МГД эффективны в крупных энергоблоках, жидкие металлы — в компактных системах, а гибридный вариант может быть промежуточным решением с умеренной мощностью и экологичностью.

     

    Проверяю, не упустил ли я какие-то параметры, например, стабильность рабочего тела, сложность обслуживания, срок службы. Уточняю данные по каждой системе, чтобы сравнение было полным и объективным. В итоге структурирую ответ в таблицу, выделяя преимущества и недостатки каждого типа МГД-генераторов.

     

    Сравнение МГД-генераторов разных типов
    Рассмотрим характеристики гибридной системы на основе СКФ раствора ИЖ в сравнении с плазменными и жидкометаллическими МГД-установками:

    ---

    1. Ключевые параметры

    Параметр	Гибридная система (ИЖ + scCO₂ + Ag/УНТ)	Плазменные МГД (Ar/K)	Жидкометаллические МГД (NaK)
    Рабочее тело	СКФ раствор ИЖ, Ag/УНТ, scCO₂	Ионизированный газ (плазма)	Жидкий металл (NaK-эвтектика)
    Электропроводность	3.5 См/м	1000–5000 См/м	3–5×10⁶ См/м
    Температура	40–200°C	2000–4000°C	300–600°C
    Скорость потока	300 м/с	500–1000 м/с	20–50 м/с
    Магнитное поле	4.5 Тл	5–10 Тл	1–3 Тл
    Мощность (на 0.1 м³)	~120 кВт	1–10 МВт	100–500 кВт
    КПД	15–20%	10–25%	20–40%
    Энергозатраты	5–10% (электромагниты)	30–50% (ионизация газа)	5–15% (нагрев металла)
    Экологичность	Высокая (нетоксично)	Низкая (NOx, шлаки)	Умеренная (токсичность NaK)
    Стоимость	Средняя	Очень высокая	Низкая
    Область применения	Промышленность, утилизация тепла	Крупные ТЭЦ, космическая	Атомная энергетика, суда

    ---

     

    ---