Магнитогидродинамический генератор

Электрическая мощность N, вырабатываемая в канале генератора, может быть определена либо как произведение тормозящей силы на скорость потока 

 

 

 

Рабочим телом в МГД-установках может быть электропроводный газ-плазма, представляющая собой квазинейтральную совокупность ионов, электронов, нейтральных атомов или молекул. Газ превращается в плазму при его ионизации. Если ионизация достигается за счет высоких температур, она называется термической. Термическая ионизация подчиняется закону действующих масс подобно любой химической реакции.

Теплота реакции ионизации, выраженная в электрон-вольтах, называется потенциалом ионизации.

В МГД-установках открытого цикла рабочим телом является плазма продуктов сгорания органических топлив. Теоретическая температура горения большинства органических топлив в атмосферном воздухе не превышает 2300К, что явно недостаточно для термической ионизации. Поднять температуру горения позволяет предварительный подогрев воздуха и обогащения воздуха кислородом.

Для того чтобы получить плазму с электрической проводимостью  не ниже 10 См/м, в продукты сгорания вводят вещества с возможно более  низким потенциалом ионизации, так  называемую ионизирующую присадку. Наименьший потенциал ионизации имеет цезий.

Присадка должна быть по возможности  дешевой, ибо несмотря на то, что в схемах МГД-установок открытого цикла ее извлекают из продуктов сгорания, регенируют и вновь пускают в дело, некоторое количество ее неминуемо теряется. То количество присадки, которое все же выбрасывается с дымовым газом, не должно оказывать вредного воздействия на окружающую среду. Присадка не должна воздействовать на элементы конструкции МГД-установки, она должна быть технологичной -ввод и вывод ее - достаточно простыми.

Исходя из приведенных  причин для МГД-установок открытого цикла чаще всего в качестве присадки применяются соединения калия; КгСОз, КОН.

Электрическая проводимость плазмы определяется концентрацией  электронов и их рассеянием на частицах, составляющих.плазму

МГД-установки открытого цикла

 

 

МГД-генератор в установке открытого цикла может работать эффективно лишь при достаточно высокой электрической проводимости. В частности, температура на выходе из МГД-генератора не должна быть ниже 2300К.

Газы с такой температурой представляют еще большую энергетическую ценность и должны быть использованы.

Схемы МГД-генератора могут быть различными. На 59 изображен МГД-генератор с так называемыми сплошными электродами. Для реального плазменного МГД-генератора такая схема в большинстве случаев оказывается неприемлемой из-за наличия эффекта Холла, который возникает в проводнике с током, находящемся в магнитном поле. По законам электродинамики в таком проводнике возникает электрическое поле, вектор которого перпендикулярен вектору тока в проводнике и вектору магнитного поля. Иными словами, в случае МГД-генератора вектор этого электрического поля параллелен оси канала. В результате на всей длине канала возникает эдс Холла. Из-за большой длины канала эдс Холла может достигать нескольких, а иногда и десятков киловольт.

Наличие эффекта Холла  приводит к тому, что закон Ома  для канала МГД-генератора в его простейшей форме становится несправедливым.

Из этих уравнений следует, что наличие эффекта Холла  приводит к тому, что ток в МГД-генераторе течет не только в направлении оси у, как это предполагается при элементарном рассмотрении, но и вдоль оси х. Направление результирующего тока существенно зависит ох параметра Холла р. В зависимости от параметра (3 цедесообразно применить одну из схем включения МГД-геиератора, изображенных на 61. При малом р лучше использовать фарадеевский МГД-генератор (61'.а), в котором каждая пара электродов э генератора присоединена на самостоятельную нагрузку Н. При средних значениях р используется схема с диагональным соединением электродов и с небольшим числом нагрузок Н (61,6). Смысл такого диагонального соединения электродов заключается в том, что за счет существования холловской и фарадеевской эдс результирующий вектор напряженности электрического поля направлен под некоторым углом к оси канала. Направление перпендикулярное этому вектору, оказывается эквипотенциальным. Так, электроды ai и бз, аг и 64 и т.п. окажутся лежащими на эквипотенциалях и могут быть замкнуты накоротко.

Наконец, при больших р предпочтителен так называемый холлов-ский канал (61 ja), в котором противоположные электроды лежат на эквипотенциале и могут быть попарно коротко замкнуты, а единственная нагрузка Н присоединена к крайним парам электродов.

Параметр Холла зависит  от физических свойств плазмы, прежде всего от сечений взаимодействия электронов с другими частицами; кроме того, он пропорционален индукции магнитного поля В. При постоянной температуре р растет с уменьшением давления.

На основании экспериментов  и расчетов размер электрода в  направлении оси х следует выбирать таким, чтобы за счет холловской напряженности электрического поля разность потенциалов между соседними электродами не превышала 30-40В. При более протяженных электродах эта разность возрастает, и возможен дуговой пробой промежутка между электродами.

Существенной характеристикой  МГД-генератора является скорость плазмы на входе в генератор и ее изменение по длине. Увеличение скорости плазмы может быть достигнуто за счет увеличения отношения давлений в сопле. Статическое давление в самом МГД-генераторе обычно принимается близким к атмосферному. Аргументы при выборе этого давления следующие:

а)         давление после диффузора должно быть достаточным для того»

чтобы протолкнуть продукты сгорания через все элементы газодинами

ческого тракта МГД-установки, во всяком случае до дымососа, стоящего

перед дымовой трубой;

б)         снижение статического давления в МГД-генераторе позволяет по

высить электропроводимость плазмы;

в)         снижение статического давления увеличивает параметр Холла.

По значению скорости в  канале МГД-генераторы различаются на

дозвуковые и сверхзвуковые. Однако сложности, связанные со сверхзвуковым  потоком, приводят к тому, что на практике скорость плазмы в МГД-генераторе принимают околозвуковой (М ~ 0,9). При температурах, характерных для МГД-генераторов открытого цикла, эта скорость составляет около 1000 м/с на входе и 0,8 от этой величины на выходе.

МГД-установки замкнутого цикла

 

 

В МГД-установках замкнутого цикла рабочим телом может служить либо плазма инертных газов (аргон или гелий), либо жидкие металлы,

В случае плазменных МГД-установок замкнутого цикла с. ядерными реакторами начальный нагрев газа не может быть особенно высоким. Температура газов не будет превосходить 1500 К или в лучшем случае 1700-1900К. Такие температуры недостаточно высоки, чтобы обеспечить термическую ионизацию даже ионизирующейся присадки. Однако в плазме инертных газов можно обеспечить неравновесную ионизацию, при которой основной газ, состоящий из ионов и нейтральных атомов, имеет сравнительно низкую температуру, а электроны - более высокую, Эта более высокая температура электронов поддерживается за счет их разгона в электрическом поле.

Наиболее экономичным  и эффективным методом повышения  электронной температуры и получения  неравновесной ионизации является нагрев электронного газа за счет использования  индуцированного электрического поля. При протекании тока через плазму вначале электроны разгоняются  и приобретают более высокую  температуру, а затем отдают свою энергию в виде джоулевой теплоты при столкновениях с молекулами. Из-за большого различия в массе при каждом упругом столкновении с атомом или молекулой электрон теряет лишь небольшую часть энергии.

В молекулярных газах, напротив, имеют место колебательные и  вращательные состояния с энергиями, более близкими к тепловым, поэтому  неупругие столкновения происходят чаще и потери энергии электронов гораздо выше (5 * 5(Ы00). При этом электронная температура увеличивается незначительно. Для того чтобы связать электронную температуру и параметры, определяемые ею, с характеристиками МГД-генера-тора, используются уравнения баланса энергии для электронов и джоулевой диссипаци» в канале МГД-генератора

Электрическая  проводимость  для  неравновесной плазмы может быть в первом приближении определена по тому же уравнению, что и для равновесной, но концентрацию электронов в это уравнение следует подставлять, определяя его из формулы Саха для электронной температуры.

В большинстве случаев  неравновесная проводимость, а отсюда и энергетические показатели МГД-генераторов не столь высоки, как можно было ожидать из расчетов. Причинами этого являются разного рода неоднородности в плазме, которые приводят к неустойчивости и снижению эффективной электрической проводимости.

Жидкометаллические МГД-установки пока не вышли из стадии лабораторных исследований. Наибольшая трудность состоит в разгоне жидкого металла. Различные разгонные устройства, предложенные для этой цели - сепарационные и инжекторные, имеют КПД составляющий в лучшем случае около10%.

Достоинства и недостатки МГД-генераторов

 

 

Главное достоинство МГД-генераторов состоит в том, что они, повышая на 10-20% коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми электростанциями, могут в настоящее время вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах.

В МГД-генёраторе, как описано выше, электрический ток производится потоком ионизованного газа (плазмы), направленным поперек магнитного поля. Отрицательные и положительные заряды в магнитном поле отклоняются в разные стороны и направляются каждый на свой электрод. Между электродами образуется разность потенциалов, и при замыкании внешней цепи возникает электрический ток. Для получения ионов топливо сжигается при ЗОООК в специальной камере, в которой для облегчения возникновения ионов к нему добавляются соли калия или цезия. Так как большая доля энергии превращается при этом все же в тепло, то в случае МГД-генератора не вполне можно говорить о непосредственном превращении химической энергии в электрическую. Температура газа, отработанного в МГД-генераторе, составляет 2000К. Используя его по обычной схеме, турбина вырабатывает еще примерно столько же электроэнергии, сколько производит МГД-генератор. Поэтому сравнительно высокий коэффициент полезного действия всей установки (50-60%) достигается с помощью двухступенчатого процесса.