Магнитогидродинамическое преобразование энергии

К одной из основных задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электричес-кую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значение имеет откры-тый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике (твердом, жидком или газообразном), движущимся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамикой.

В принципиальной схеме МГД-генератора (рис. 4.2.1) между метал-лическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающая кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и по внешней цепи. Поток ионизированного газа – плазмы тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока. Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совмещения работы по преодолению сил торможения.

Рис. 4.2.1. Схема работы МГД-генератора

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (около 3000 ^оС), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электро-проводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 4.2.2. В камере сгорания сжигается органическое топли-во, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширительный канал МГД-генератора. Сильное электромагнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000 ^оС, а в камере – 2500–2800 ^оС. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД-генератор, вызывается значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000 ^оС, у них практически исчезает магнитогидродинамическое воздействие с магнитным полем.

Рис. 4.2.2. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой:

1 – камера сгорания, 2 – теплообменник, 3 – МГД-генератор, 4 – обмотка электромагнита, 5 – парогенератор, 6 – турбина, 7 – генератор, 8 – конденсатор, 9 – насос

Теплота отработанных в МГД-генераторе газов вначале использу-ется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и повышает эффективность процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генераторов газы имеют температуру примерно 2000 ^оС, а теплообменник может работать при температурах, не превышающих 800 ^оС, следовательно, при охлаждении газов часть теплоты теряется.

Трудность в создании МГД-генераторов состоит в получении металлов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляются высокие требования, так как они должны длительное время работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500–2800 ^оС). Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных элементов. Графит, окись магния и другие материалы могут работать длительное время при температурах 2200–2500 ^оС, но они не способны противостоять механическим напряжениям. Задача создания материалов для МГД-генератора является весьма актуальной. Ведется также поиск химического состава газов с улучшенными свойствами.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмотке. Для уменьшения нагрева обмоток и потерь в них сопротивление должно стремиться к минимуму. Поэтому для изготовления обмоток используют сверхпроводящие материалы.

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используе-мыми для нагреваний газов и их термической ионизации (рис. 4.2.3).

Рис. 4.2.3. Проект МГД- генератора с ядерным реактором: 1 – ядерный реактор, 2 – сопло, 3 – МГД-генератор, 4 – место для конденсации щелочных металлов,

5 – насос, 6 – место ввода щелочных металлов

Трудность создания МГД-генераторов с ядерными реакторами состоит в том, что тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают температуру 600 ^оС, а для ионизации необходима температура 2000 ^оС. Первые образцы таких МГД-генераторов имеют очень высокую стоимость.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: