Фізико-метулрггічний факультет
Спеціальність: теплоенергетика
Принцип дії МГД-генератора. Плазмові МГД-генератори.
Магнітогідродинамічних генератор являє собою пристрій, що перетворює кінетичну енергію електропровідного потоку, що рухається в поперечному магнітному полі, в електроенергію. У потоці індукується електричне поле з напруженістю ЕННд-[VB], де V - швидкість потоку; В - магнітна індукція. Якщо канал має ширину в, то на стінках каналу, паралельних напрямку магнітного поля (електродних стінках), виникає ерс Е = VBe. До тих пір, поки електроди не замкнуті на навантаження, електромагнітні сили на потік не діють. При замиканні ланцюга в потоці робочого тіла (рідини або газу) потече струм I = Е (lk) / Rr, де Rr - внутрішній опір генератора; к = U / E - коефіцієнт навантаження, U - напруга на навантаженні; Відповідно до законів електродинаміки на одиницю довжини провідника зі струмом I, що знаходиться в поперечному магнітному полі В, діє сила F = IB, яка гальмує потік і перетворює його кінетичну енергію в електричну енергію протікаючого струму.
Електрична потужність N, яка виробляється в каналі генератора, може бути визначена або як добуток сили, яка гальмує на швидкість потоку Робочим тілом у МГД-установках може бути електропровідний газ-плазма, що представляє собою квазинейтральну сукупність іонів, електронів, нейтральних атомів або молекул. Газ перетворюється на плазму при його іонізації. Якщо іонізація досягається за рахунок високих температур, вона називається термічної. Термічна іонізація підкоряється закону діючих мас подібно будь-якої хімічної реакції. Теплота реакції іонізації, виражена в електрон-вольтах, називається потенціалом іонізації.
У МГД-установках відкритого циклу робочим тілом є плазма продуктів згоряння органічних палив. Теоретична температура горіння більшості органічних палив в атмосферному повітрі не перевищує 2300К, що явно недостатньо для термічної іонізації. Підняти температуру горіння дозволяє попередній підігрів повітря і збагачення повітря киснем. Для того щоб отримати плазму з електричною провідністю не нижче 10 См / м, в продукти згоряння вводять речовини з максимально низьким потенціалом іонізації, так звану іонізуючу присадку. Найменший потенціал іонізації має цезій. Присадка повинна бути по можливості дешевою, бо не зважаючи на те, що в схемах МГД-установок відкритого циклу її витягують з продуктів згорання, регенерують і знову пускають в справу, деяка кількість її неминуче втрачається. Та кількість присадки, яка все ж викидається з димовим газом, не повинна мати шкідливого впливу на навколишнє середовище. Присадка не повинна впливати на елементи конструкції МГД-установки, вона повинна бути технологічною, щоб створити виведення її - досить простим. Виходячи з наведених причин для МГД-установок відкритого циклу частіше за все в якості присадки застосовуються сполуки калію; КгСОз, КОН. Електрична провідність плазми визначається концентрацією електронів і їх розсіюванням на частинках, складових плазму. Системи з М. г. можуть працювати з відкритим і замкнутим циклах. У першому випадку продукти згоряння є робоче тілом, а використані гази після видалення з них присадки лужних металів (вводиться в робоче тіло для збільшення електропровідності) викидаються в атмосферу. У М. г. замкнутого циклу теплова енергія, отримана при спалюванні палива, передається в теплообміннику робочому тілу, яке потім, пройшовши М. г., повертається, замикаючи цикл, через компресор або насос. Джерелами тепла можуть служити реактивні двигуни, ядерні реактори, теплообмінні пристрої. Робочим тілом у М. г. можуть бути продукти згоряння викопних палив та 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 іонизувати до певної міри, що здійснюється головним чином нагріванням до температур, достатніх для початку термічної іонізації (більшість газів іонизуеться 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.
Переваги і недоліки МГД-генераторів
Головне достоїнство МГД-генераторів полягає в тому, що вони, підвищуючи на 10-20% коефіцієнт корисної дії в порівнянні з тепловими електростанціями, можуть в даний час виробляти електроенергію в промислових масштабах. У МГД-генераторі, як описано вище, електричний струм виробляється потоком іонізованого газу (плазми), спрямованим поперек магнітного поля. Негативні і позитивні заряди в магнітному полі відхиляються в різні сторони, і направляються кожен на свій електрод. Між електродами утворюється різниця потенціалів, і при замиканні зовнішнього ланцюга виникає електричний струм. Для отримання іонів паливо спалюється при ЗОООК в спеціальній камері, в якій для полегшення виникнення іонів до нього додаються солі калію або цезію. Оскільки велика частка енергії перетворюється при цьому все ж таки в тепло, то в разі МГД-генератора не цілком можна говорити про безпосереднє перетворення хімічної енергії в електричну. Температура газу, відпрацьованого в МГД-генераторі, становить 2000К. Використовуючи його за звичайною схемою, турбіна виробляє ще приблизно стільки ж електроенергії, скільки виробляє МГД-генератор. Тому порівняно високий коефіцієнт корисної дії всієї установки (50-60%) досягається за допомогою двоступінчастого процесу.
Ефект електромагнітної індукції використовується і в 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 замінені проводить рідиною або газом. Які переваги при цьому виникають? Ротор генератора електромашинного обертає парова турбіна або іншої теплової двигун, в якому теплова енергія перетворюється в механічну. МГД-генератор дозволяє безпосередньо перетворювати теплову енергію в електрику без проміжних складних пристроїв типу парової турбіни або двигуна внутрішнього згоряння. Чому ж до цих пір використовують звичайні генератори? Проблема полягає в створенні необхідного «робочого тіла» для МГД-генераторів. Рідкі метали незручні в обігу, та й не так просто змусити їх рухатися по каналу з великими швидкостями. Тому МТД-генератори на рідких металах не отримали широкого розповсюдження. Частіше застосовуються МГД-насоси для рідких металів і інших провідних рідин, пристрої, де електричний струм викликає рух провідної рідини, а не навпаки, як в генераторі. Провідність же газів мізерно мала. Вона зростає лише тоді, коли газ, нагріваючись, починає ионизоватися і перетворюватися на плазму. Але для отримання достатньої електропровідності навіть при використанні самих легко іонізіруемих речовин - парів лужних металів - необхідні температури в 2000-3000 ° С. Такі високі температури досягаються в струмені ракетного двигуна, і на його основі, дійсно, виходять хороші МГД-генератори, компактні і дуже потужні пристрої. Однак струмознімальнi електроди таких генераторів при настільки високих температурах можуть працювати лише дуже короткий час - секунди або в кращому разі десятки секунд. З використанням ракетних двигунів вже створені МТД-генератори, розраховані на дуже великі потужності і малу тривалість роботи. Вони знаходять застосування, наприклад, для геофізичних досліджень.
Для того щоб використовувати МГД-генератори у великій енергетиці, необхідно знайти спосіб отримання хорошої електропровідності газу при значно більш низьких температурах (бажано не вище 1000 °), які можуть бути досягнуті в сучасних високотемпературних атомних реакторах.