Магнітогідродинамічний генератор

Наши партнеры ArtmMisto

Магнітогідродінам і чний генер а тор, МГД-генератор, енергетична установка, в якій енергія робочого тіла (рідкого або газоподібного електропровідного середовища), що рухається в магнітному полі, перетворюється безпосередньо в електричну енергію. Назва «М. м »пов'язане з тим, що рух таких середовищ описується магнітної гідродинаміки . Пряме (безпосереднє) перетворення енергії складає головну особливість М. р, що відрізняє його від генераторів електромашинних . Так само, як і в останніх, процес генерування електричного струму в М. Г заснований на явищі індукції електромагнітної , Тобто на виникненні струму в провіднику, що перетинає силові лінії магнітного поля; відміну М. р в тому, що в ньому провідником є ​​само робоче тіло, в якому при русі поперек магнітного поля виникають протилежно спрямовані потоки носіїв зарядів протилежних знаків. Робочими тілами М. р можуть служити електроліти , Рідкі метали і іонізованниє гази ( плазма ) .В типовому для М. р випадку, коли робочим тілом служить газоподібний провідник - плазма, носіями зарядів є в основному вільні електрони і позитивні іони, що відхиляються в магнітному полі від траєкторії, по якій газ рухався б у відсутність поля. У сильних магнітних полях або розрідженому газі заряджені частинки встигають між зіткненнями зміститися (в площині, перпендикулярній магнітному полю); таке спрямоване зсув заряджених частинок в М. р призводить до того, що з'являється додаткове електричне поле, так зване поле Холла (див. Холла ефект ), Спрямоване паралельно потоку газу. Термін. «М. м », спочатку означав пристрої, в яких робочим тілом була електропровідна рідина, надалі став застосовуватися також для позначення всіх пристроїв подібного типу, в тому числі використовують як робоче тіло електропровідний газ.

Ідея можливої ​​заміни твердого провідника рідким була висунута англійським фізиком М. Фарадеєм. Однак його спроба експериментально підтвердити цю ідею в 1832 закінчилася невдачею, і лише в 1851 англійський учений Волластон практично підтвердив припущення М. Фарадея, вимірявши ЕРС, індуковану приливними течіями в Ла-Манші. Відсутність необхідних знань по електрофізичних властивостях газоподібних і рідких тіл довго гальмувало роботи по практичному використанню ідеї Фарадея. Надалі дослідження розвивалися за двома основними напрямками: використання ефекту індукції ЕРС для вимірювання швидкості рухомого середовища (наприклад, в електромагнітних витратомірах) і генерування електричної енергії. Перші патенти по використанню методу МГД-перетворення енергії були видані в 1907-10, однак згадуються в них способи і засоби як іонізації, так і отримання необхідних електрофізичних властивостей робочого тіла були неприйнятні. Практична реалізація МГД-перетворення енергії виявилася можливою тільки в кінці 50-х років, після розробки теорії магнітної гідродинаміки і фізики плазми і досліджень в галузі фізики високих температур, завдяки головним чином успіхам ракетної техніки і створенню до цього часу жароміцних матеріалів.

Перший експериментальний М. р потужністю 11,5 квт, в якому здійснювалося досить сильна взаємодія між іонізованим газом і магнітним полем, був побудований в 1959 в США. Джерелом робочого тіла - плазми з температурою 3000 K - служив плазмотрон, що працював на аргоні з присадкою лужного металу для підвищення ступеня іонізації газу. На цьому М. р був продемонстрований ефект Холла. У 1960 в США був побудований лабораторний М. р на продуктах згоряння з присадкою лужного металу. До середини 60-х років потужність М. г, на продуктах згоряння вдалося довести по 32 Мвт ( «Марк-V», США).

В СРСР зусилля фахівців були направлені головним чином на створення комплексних енергетичних установок з М. р 1962-65 були проведені теоретичні та експериментальні дослідження, створені лабораторні установки. Результати досліджень і накопичений інженерний досвід дозволили в 1965 ввести в дію комплексну модельну енергетичну установку «У-02», що включала основні елементи ТЕС з М. р і працювала на природному паливі. На «У-02» були отримані експериментальні дані, що істотно розширили уявлення про можливості практичного використання МГД-установок. Дещо пізніше було розпочато проектування дослідно-промислової МГД-установки «У-25», яке проводилося одночасно з дослідницькими роботами на «У-02». Успішний пуск першої в СРСР дослідно-промислової енергетичної установки з М. р, що має розрахункову потужність 20-25 Мвт, відбувся в 1971.

М. р складається з каналу, по якому рухається робоче тіло (зазвичай плазма), електромагнітної системи для створення магнітного поля і пристроїв для відведення електроенергії (електродів) з включеним навантаженням (рис. 1).

Системи з М. р можуть працювати по відкритому і замкнутому циклах. У першому випадку продукти згоряння є робочим тілом, а використані гази після видалення з них присадки лужних металів (вводиться в робоче тіло для збільшення електропровідності) викидаються в атмосферу. У М. р замкнутого циклу теплова енергія, отримана при спалюванні палива, передається в теплообміннику робочому тілу, яке потім, пройшовши М. р, повертається, замикаючи цикл, через компресор або насос. Джерелами тепла можуть служити реактивні двигуни, ядерні реактори, теплообмінні пристрої. Робочим тілом в М. р можуть бути продукти згоряння викопних палив і інертні гази з присадками лужних металів (або їх солей); пари лужних металів; двофазні суміші пари і рідких лужних металів; рідкі метали і електроліти. Але якщо рідкі метали і електроліти є природними провідниками, то для того щоб газ став електропровідним, його необхідно іонізувати до певної міри, що здійснюється головним чином нагріванням до температур, достатніх для початку термічної іонізації (більшість газів ионизуется тільки при температурі близько 10000 К). Необхідна ступінь іонізації при менших температурах досягається збагаченням газу парами лужних металів; при введенні в продукти згоряння лужних металів (наприклад, К, Cs, Na) або їх солей гази стають провідниками вже при 2200-2700 К.

У М. р з рідким робочим тілом генерування електроенергії йде тільки за рахунок перетворення частини кінетичної або потенційної енергії потоку електропровідної рідини практично при постійній температурі. У М. р з газовим робочим тілом принципово можливі три режими: зі збереженням температури і зменшенням кінетичної енергії; зі збереженням кінетичної енергії і зменшенням температури; зі зниженням і температури і кінетичної енергії.

За способом відведення електроенергії М. р поділяють на кондукційні і індукційні. У кондукційних М р в робочому тілі, що протікає через поперечний магнітне поле, виникає електричний струм, який через знімні електроди, вмонтовані в бічні стінки каналу, замикається на зовнішній ланцюг. Залежно від зміни магнітного поля або швидкості руху робочого тіла такий М. р може генерувати постійний, як правило, або пульсуючий струм. В індукційних М. р (за аналогією зі звичайними електромашинними генераторами) електроди відсутні. Такі установки генерують лише змінний струм і вимагають створення біжить уздовж каналу магнітного поля. Можуть бути різні форми каналів: лінійна - загальна для кондукційних і індукційних М. г .; дискова і коаксиальная холлівських - в кондукційних; радіальна - в індукційних М. р За системам з'єднань електродів розрізняють: фарадєєвський генератор з суцільними або секціонованими електродами (рис. 2, а), холлівських генератор (рис. 2, б), в якому розташовані один проти одного електроди короткозамкнуті, а напруга знімається уздовж каналу за рахунок наявності поля Холла, і серієсний генератор з діагональним з'єднанням електродів (рис. 2, в). Секціонування електродів в фарадеевского М. р робиться для того, щоб зменшити циркуляцію струму уздовж каналу і через електроди (ефект Холла) і тим самим направити носії зарядів перпендикулярно осі каналу на електроди і в навантаження; чим значніше ефект Холла, тим на більшу кількість секцій необхідно розділити електроди, причому кожна пара електродів повинна мати свою навантаження, що вельми ускладнює конструкцію установки. Застосування схеми холловського М. р найвигідніше при великих магнітних полях. За рахунок наявності подовжнього електричного поля в холлівських і М. р з діагональним з'єднанням електродів можна отримати значну напругу на виході генератора. Найбільшого поширення в 70-х роках отримали кондукційні лінійні М. р на продуктах згоряння викопних палив з присадками лужних металів, що працюють по відкритому циклу.

Потужність М. р пропорційна провідності робочого тіла, квадрату його швидкості і квадрату напруженості магнітного поля. Для газоподібного робочого тіла в діапазоні температур 2000-3000 К провідність пропорційна температурі в 11-13-го ступеня і обернено пропорційна кореню квадратному з тиску. Швидкості потоку в М. р можуть бути в широкому діапазоні - від дозвукових до надзвукових. Індукція магнітного поля визначається конструкцією магнітів і обмежується значеннями близько 2 тл для магнітів зі сталлю і до 6-8 тл для надпровідних магнітних систем.

Основна перевага М. р - відсутність в ньому рухомих вузлів або деталей, які безпосередньо беруть участь в перетворенні теплової енергії в електричну. Це дозволяє істотно збільшити початкову температуру робочого тіла і, отже, ККД електростанції. Якщо після М. р поставити звичайний турбоагрегат, то загальний максимальний ккд такої енергетичної установки досягне 50-60%.

Відмінною особливістю М. р є також можливість отримання великих потужностей в одному агрегаті - 500-1000 Мвт і поєднання їх з паросиловими блоками такої ж потужності. Існують три основні напрями можливого промислового застосування М. р .: 1) ТЕС з М. р (рис. 3) на продуктах згоряння палива (відкритий цикл); ці установки найбільш прості за своїм принципом і мають найближчу перспективу промислового застосування; 2) атомні електростанції з М. р на інертному газі, що нагрівається в ядерному реакторі (закритий цикл); перспективність цього напрямку залежить від розвитку ядерних реакторів з температурою робочого тіла понад 2000 K; 3) цикли з М. р на рідкому металі, які вельми перспективні для атомної енергетики і для спеціальних енергетичних установок порівняно невеликої потужності, однак існуючі на один тисячу дев'ятсот сімдесят два опрацювання цих циклів не дозволяють судити ясно про їх використання в промисловій енергетиці.

Створена в СРСР дослідно-промислова установка «У-25» - прототип ТЕС з М. р Вона працює на продуктах згорання природного газу з добавкою K2CO3 як іонізуюче присадки, що дозволяє при відносно невисоких температурах (близько 3000 К) зробити продукти згоряння електропровідними. «У-25» має два контури: первинний, розімкнутий, в якому перетворення тепла продуктів згоряння в електричну енергію відбувається в М. р, і вторинний, замкнутий - паросилова контур, який використовує тепло продуктів згоряння поза каналу М. р

Установка працює за наступною тепловою схемою. Атмосферне повітря, збагачене киснем, стискується в компресорі і подається в підігрівачі повітря, звідки повітряно-киснева суміш, нагріта до потрібної температури, прямує в камеру згоряння. Перед камерою згоряння в повітряний потік впорскується водний розчин легкоїонізірующей присадки. Іонізовані продукти згоряння розганяються в соплі і надходять в канал М. р Канал М. р розміщений в робочому зазорі магнітної системи з індукцією 2 Тл. З каналу М. р продукти згоряння надходять в парогенератор і віддають своє тепло паросиловому циклу, потім при температурі 420-450 K вони прямують в систему видалення присадки і після очищення викидаються в атмосферу. Електричне обладнання «У-25» складається з М. р і инверторной установки, зібраної на ртутних ігнітрони. Стійкість спільної роботи М. р і багатоелементної инверторной установки забезпечується системою автоматичного регулювання. «У-25» забезпечена телеметричної системою управління і контролю. Отримані експериментальні дані обробляються ЕОМ.

Енергетичні установки з М. р можуть застосовуватися також як резервні або аварійні джерела енергії в енергосистемах, для космічної техніки (бортові системи харчування), в якості джерел живлення різних пристроїв, що вимагають великих потужностей на короткі проміжки часу (наприклад, для живлення електропідігрівачів аеродинамічних труб і т.п.).

До початку 70-х років роботи з проблеми МГД-методу перетворення енергії вийшли за рамки наукового пошуку і створення невеликих лабораторних дослідницьких установок і вступили в стадію будівництва дослідно-промислових електростанцій. Накопичено великий фактичний матеріал за результатами науково-дослідних і проектно-конструкторських робіт в області М. р Для обміну інформацією, аналізу стану і оцінки перспектив розвитку М. р було проведено кілька міжнародних симпозіумів та національних конференцій; в 1966 була заснована Міжнародна група зв'язку з питань МГД-методу перетворення енергії, куди увійшли представники Австралії, Австрії, Англії, Бельгії, Італії, Нідерландів, ПНР, СРСР, США, Франції, ФРН, ЧССР, Швейцарії і Швеції.

Літ .: Фаворський О. Н., Установки для безпосереднього перетворення теплової енергії в електричну, М., 1965; Роза Р., магнітогідродинамічним перетворення енергії, переклад з англійської, М., 1970; Магнітогідродинамічний метод отримання електроенергії. [Зб. ст.], М., 1971.

В. А. Прокудін.

Мал. 2. Схеми з'єднання електродів в МГД-генераторах: а - лінійний фарадєєвський генератор з секціонованими електродами; б - лінійний холлівських генератор; в - серієсний генератор з діагональним з'єднанням електродів.

Мал. 1. Найпростіша схема установки з МГД-генератором: 1 - обмотка електромагніту; 2 - камера згоряння; 3 - присадка; 4 - повітря; 5 - паливо; 6 - сопло; 7 - електроди з послідовно включеним навантаженням; 8 - вихід продуктів згоряння.

Мал. 3. Схема енергетичної установки з МГД-генератором, що працює по відкритому циклу: 1 - камера згорання; 2 - теплообмінник; 3 - канал МГД-генератора; 4 - обмотки електромагніту; 5 - парогенератор; 6 - парова турбіна; 7 - електричний генератор; 8 - конденсатор; 9 - конденсаційний насос.