Запрошуємо розробників корисного устаткування до співпраці

Магнітогідродинамічне перетворення енергії

До одного з центральних фізико-технічних завдань енергетики належить створення магнітогідродинамічних генераторів (МГД - генераторів), що безпосередньо перетворюють теплову енергію на електричну. Можливість практичної реалізації такого роду перетворення енергії в широких промислових масштабах з'являється завдяки успіхам в атомній фізиці, фізиці плазми, металургії та ряді інших галузей.

Пряме перетворення теплової енергії на електричну дозволяє суттєво підвищити рівень ефективності використання паливних ресурсів.

Перший магнітогідродинамічний генератор струму був випробуваний ще в 1832 р. англійським фізиком М. Фарадеєм, який намагався виявити виникнення електрорушійної сили (ЕРС) між двома електродами, що були опущені у воду річки Темза поблизу моста Ватерлоо в Лондоні. Згідно з відкритим Фарадеєм законом електромагнітної індукції, переміщення провідника (в даному випадку солонуватої води з річки) в магнітному полі Землі мало супроводжуватися виникненням ЕРС та електричного струму в провідниках, що з'єднували електроди. А згідно із законом електромагнітної індукції сила струму в провідниках пропорційна індукції магнітного поля Землі і швидкості течії води в річці. Вимірювальна техніка, яку мав Фарадей, не дозволила йому виявити ефект, на який він очікував, але в цьому експерименті було застосовано всі принципові елементи сучасного МГД-генератора

струму: провідну речовину, що рухається каналом, поперечне

магнітне поле і струмознімальні електроди.

Ефект електромагнітної індукції використовується й у звичайних джерелах струму - електромашинних генераторах, де поперек магнітного поля рухаються жорсткі провідники, розміщені на обертовому роторі. На відміну від них, в МГД-генераторі жорсткі провідники замінено провідною рідиною або газом. Які переваги при цьому виникають? Ротор електромашинного генератора обертає парова турбіна або інший тепловий двигун, у якому теплова енергія перетворюється в механічну. МГД-генератор дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію на електричну без проміжних складних пристроїв типу парової турбіни або двигуна внутрішнього згорання.

Галузь науки, яка вивчає взаємодію між магнітним полем і струмопровідною рідиною або газом, називається магнітогідродинамікою.

Принципову схему дії сучасного МГД-генератора наведено на рисунку 3.2.1. В цій схемі між металевими пластинами,

розташованими в сильному магнітному полі, пропускається струмінь іонізованого газу, який має кінетичну енергію руху частинок. При цьому відповідно до закону електромагнітної індукції з'являється ЕРС, що створює протікання струму між електродами всередині каналу генератора і в зовнішньому колі. Потік іонізованого газу - плазма - гальмується під дією електродинамічних сил, що виникають при взаємодії струму, який тече в плазмі, та магнітного потоку.

Магнітогідродинамічне перетворення енергії

Потік іонізованого газу

Рисунок 3 .2.1 - Принципова схема дії МГД-генератора

Донедавна було відомо три стани речовини: твердий, рідкий і газоподібний. Газ вважався електрично нейтральним, бо атоми і складені з них молекули є нейтральними. Заряд електронів в атомах повністю врівноважується зарядом ядра. При нагріванні газу в результаті інтенсивних співударів атомів відбувається вибивання зовнішніх електронів. Якщо відділити всі електрони від ядер, то речовина перебуватиме в четвертому стані, що називається плазмою. Хоча плазма має високу електропровідність, її значно збільшують додаванням деяких лугових металів, які легко іонізуються (калій, натрій тощо).

Якщо який-небудь газ нагріти до високої температури (приблизно

3000°С), збільшивши тим самим його внутрішню енергію і перетворивши його на електропровідну плазму, то при наступному розширенні плазми в робочих каналах МГД-генератора відбудеться пряме перетворення теплової енергії на електричну.

Принципову конструктивну схему МГД-генератора наведено на рисунку 3.2.2. В камеру згорання для отримання високих температур подається паливо, повітря і присадки для збільшення іонізації плазми. Після проходження сопла (звуженої частини конструкції) відбувається розширення плазми, збільшення швидкості її руху й утворення ЕРС між електродами. Продукти згорання являють собою потік теплової енергії, їх можна буде використати для паросилового пристрою.

Магнітогідродинамічне перетворення енергії

Рисунок 3.2.2 - Принципова конструктивна схема МГД-генератора:

1 - обкладка електромагніта; 2 - камера згорання; 3 - присадка;

4 - повітря; 5 - паливо; 6 - сопло; 7 - електроди; 8 - продукти згорання

Принципову схему МГД-генератора з паросиловим пристроєм наведено на рисунку 3.2.3. В камері згорання спалюється органічне паливо, а продукти в плазмовому стані, що утворюються при цьому, разом із доданими присадками спрямовуються в канал МГД- генератора, що розширюється. Сильне магнітне поле утворюється потужними електромагнітами. Температура газу в каналі генератора має бути не нижче 2000°С, а в камері згорання - 2500-2800°С. Необхідність обмеження мінімальної температури газів, що виходять з МГД-генератора, зумовлена настільки значним зменшенням

електропровідності газів при температурах нижче 2000° С, що в них практично зникає магнітогідродинамічна взаємодія з магнітним полем.

Теплота відпрацьованих у МГД-генераторах газів спочатку використовується для підігріву повітря, що подається в камеру згорання палива, а отже, - для підвищення рівня ефективності процесу його спалення. Потім у паросиловому пристрої теплота витрачається на утворення пари і доведення його параметрів до необхідної величини.

Гази, що виходять із каналу МГД-генератора, мають температуру

приблизно 2000° С, а сучасні теплообмінники, на жаль, можуть

працювати при температурах, що не перевищують 800° С. Через це при охолодженні газів частина тепла втрачається.

Магнітогідродинамічне перетворення енергії

Рисунок 3.2.3 - Принципова схема МГД-генератора з паросиловим пристроєм:

1 - камера згорання; 2 - теплообмінник; 3 - МГД-генератор; 4 - обмотка електромагніта; 5 - парогенератор; 6 - турбіна; 7 - електрогенератор; 8 - конденсатор; 9 - насос

На рисунку 3.2.4 схематично показано основні елементи МГД - електростанції з паросиловим пристроєм та їхні взаємозв'язки [1].

Труднощі у створенні МГД-генераторів полягають у виготовленні матеріалів необхідної міцності. Незважаючи на статичні умови роботи, до матеріалів ставлять високі вимоги, бо вони повинні тривалий час працювати в агресивних середовищах при високих

температурах (2500 - 2800°С). Для потреб ракетної техніки створено матеріали, що здатні працювати за таких умов, однак протягом кількох хвилин. Тривалість роботи промислових енергетичних пристроїв вимірюється місяцями і більше.

Жаростійкість залежить не тільки від матеріалів, але і від середовища. Наприклад, вольфрамова нитка в лампі розжарювання

при температурі 2500 -2700°С може працювати у вакуумі або середовищі нейтрального газу декілька тисяч годин, а в повітрі плавиться за декілька секунд.

Вугільний склад

Надпровідна магн і тна

Теплообмінник

С V

Турбо­

генератор

Компресорна

установка

Рисунок 3.2.4 — Основні елементи МГД-електростанції

Димова труба

Зниження температури плазми додаванням до неї присадок спричиняє підвищену корозію конструкційних матеріалів. Нині створено матеріали, які можуть працювати тривалий час при

температурі 2200-2500° С (графіт, оксид магнію тощо), проте вони не здатні протистояти механічним напруженням.

Незважаючи на досягнуті успіхи, завдання створення матеріалів для МГД-генераторів поки що не вирішено. Тривають також пошуки газу з найліпшими властивостями. Гелій з невеликим додаванням

цезію при температурі 2000° С має однакову провідність із

продуктами згорання мінерального палива при температурі 2500° С. Розроблено проект МГД-генератора, що працює по замкненому циклу, в якому гелій безперервно циркулює в системі.

Для роботи МГД-генератора необхідне сильне магнітне поле, яке можна отримати пропусканням великих струмів по обмотках. Щоб виключити сильне нагрівання обмоток і втрати енергії в них, опір провідників має бути якнайменшим. Для цього в ролі таких провідників доцільно використовувати надпровідні матеріали.

Труднощі створення МГД-генератора з ядерним реактором полягають у тому, що сучасні тепловидільні елементи, які вміщують

Перспективними МГД-генератори з ядерними реакторами, які використовуються для нагрівання газів та їх термічної іонізації. Схему такого пристрою наведено на рисунку 3.2.5.

Рисунок 3.2.5 — МГД-генератор із ядерним реактором:

1 - ядерний реактор; 2 - сопло; 3 - МГД-генератор;

4 - місце конденсації лугових металів; 5 - насос;

6 - місце введення лугових металів

уран і покриті оксидом магнію, витримують температуру близько 600 °С, а для іонізації газів необхідна температура близько 2000 °С.

Інтерес становить МГД-генератор із пульсуючою плазмою (рисунок 3.2.6), у якому можна отримати електричну енергію змінного струму. Складається генератор із замкненої камери, в якій міститься радіоактивний газ в такій кількості, що при його рівномірному розміщенні не відбувається ланцюгова реакція. При стисканні газу в одному з кінців камери досягається закритичний об'єм і відбувається ланцюгова реакція, в результаті чого утворюється ударна хвиля. Слідом за хвилею переміщується плазма. В протилежному кінці камери знову відбувається ланцюгова реакція, і плазма рухається в протилежному напрямку, що зумовлює зміни у ЕРС [2].

1 2 3 4

Рисунок 3.2.6 - МГД-генератор з пульсуючою плазмою:

1 - плазма; 2 - камера згорання; 3 - алюмінієві баки; 4 - теплоносій-затримувач;

5 - бетонний захист; 6, 7 - критична область; 8 - подавання та відведення теплоносія-затримувача; 9 - регулювальні стержні

Перші експериментальні конструкції МГД-генераторів мають поки що високу вартість. У майбутньому можна очікувати суттєвого їхнього здешевлення, що дозволить успішно використати МГД - генератори для покриття піків навантаження в енергосистемах, тобто в режимах відносно недовгочасної роботи. В цих режимах ККД не має вирішального значення, і МГД-генератори можна використовувати й без паросилового пристрою.

Нині у світі споруджено потужні дослідно-промислові зразки МГД-перетворювачів енергії, на яких ведуться дослідження щодо вдосконалення їх конструкцій і створення ефективних МГД- електростанцій, які зможуть конкурувати із звичайними електростанціями.

Додати коментар

Реквізити Майстерні своєї справи

Адреса і телефони:

Україна, Кіровоградська обл., м. Олександрія, вул. Куколівське шосе 5/1А,
тел./факс +38 (05235) 7 41 13,
+380 (68) 408 39 56 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (50) 984 5 684 — будівельне обладнання, шлакоблочні вібропреси
+380 (67) 561 22 71 — решта обладнання
ICQ: 491675177
e-mail: msd@inbox.ru

WordPress Video Lightbox