Магнитогидродинамический генератор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

«Магнитогидродинамический генератор»

ВВЕДЕНИЕ

Человеческое общество не может жить без энергии. Пока основной источник энергии для человека -- природное топливо: уголь, нефть, газ. Но запасы этого топлива не вечны. Правда, мы знаем другие источники энергии -- Солнце и атом. В будущем основными источниками станут именно они, но их освоение требует времени, а запасы природного топлива тем временем убывают. Как эффективнее использовать эти запасы? Естественное предложение -- повышать коэффициент полезного действия устройств, преобразующих энергию природного топлива в электрическую энергию. Как известно, КПД тепловой машины увеличивается при увеличении максимальной и уменьшении минимальной температур рабочего тела. Но минимальная температура ограничена снизу -- это температура окружающей среды. Чем ограничена сверху максимальная температура? Прочностью лопастей турбин -- ибо прочность всех металлов падает с ростом температуры, а на движущиеся детали приходятся наибольшие нагрузки. Лопасти турбин ТЭС работают «на пределе», и одна из основных забот турбостроителей -- получение материалов, обладающих высокой прочностью при высоких температурах. В лучших ТЭС достигнут КПД 35--40%.Если мы хотим увеличить КПД за счет повышения температуры рабочего тела, надо искать способ преобразования энергии горячего газа в электрическую энергию, не требующий от материалов высокой прочности.

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру.

Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток. Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее, в 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов - магнит, гидро (вода) и динамика (движение) - и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.

Так почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества, были использованы приборы с низкой чувствительностью. А разность потенциалов существовала, и она была измерена спустя 19 лет физиком Волластоном. И тогда же Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил использовать этот эффект для преобразования энергии движения морской воды во время приливов в электрическую энергию. Так были заложены идейные основы нового метода преобразования энергии, который дает возможность использовать природное топливо с большим КПД, чем в традиционных ТЭС. Этот метод называют магнитогидродинамическим.

УСТРОЙСТВО

Магнитогидродинамический генератор - устройство для преобразования кинетической энергии жидкой или электропроводящей среды, движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию. Оно основано на явлении электромагнитной индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии; в качестве движущегося в магнитном поле проводника используется плазма или проводящая жидкость (электролиты и жидкие металлы).

Представим себе трубу, сделанную из электроизолирующего материала и имеющую на двух противоположных стенках изнутри проводящие электроды. Труба помещена в магнитное поле. Внутри трубы движется струя горячего газа. Такова принципиальная схема магнитогидродинамического генератора -- МГД-генератора. (Движение горячей струи газа во многих отношениях похоже на движение жидкости. Отсюда -- название и самого метода, и генератора.) В МГД-генераторе механическая энергия движущегося горячего газа преобразовывается в электрическую энергию. Посмотрим, как это делается. Пусть для определенности газ в МГД-канале (так называют трубу с электродами на внутренних стенках) движется слева направо со скоростью , а индукция магнитного поля направлена так, как показано на рисунке. Если в газе, движущемся по МГД-каналу, есть свободные электроны, то под действием силы Лоренца они будут дрейфовать в газе по направлению к ближайшему к нам (на рисунке) электроду и скапливаться на нем. В результате между электродами на стенках МГД-канала будет создаваться разность потенциалов. Если мы подключим к электродам какую-нибудь электрическую нагрузку, то по цепи нагрузки будет протекать ток .Итак, задача решена -- поместив поток горячего газа в трубу с двумя электродами и магнитное поле, мы сделали генератор электрической энергии. Механизм возникновения тока в МГД-генераторе такой же, как и в любом электрическом генераторе -- ток возникает в проводнике, движущемся в магнитном поле. Но только в электрических генераторах эти проводники металлические, твердые, а в МГД-генераторе это -- горячий газ.

« С первого взгляда эти генераторы устроены достаточно просто. В камере сгорания сжигается топливо, и в сопле, похожем на ракетное, продукты сгорания (газы), расширяясь, увеличивают свою скорость до сверхзвуковой. Это сопло находится между полюсами сильного электромагнита, а внутри сопла, на пути раскаленных газов, установлены электроды. Магнитное поле «сортирует» отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы газа, направляя их по разным траекториям. Эти потоки заряженных частиц вызывают появление электрических зарядов на соответствующих электродах, а если их соединить, то и электрический ток.

Действительно, в МГД генераторе нет движущихся частей, если, конечно, сам газ не считать частью машины. Но узких мест тоже немало.»[1]

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10000 К). При меньших температурах газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200--2700 К.

В отличие от МГД-генератора с жидким рабочим телом, где генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока при постоянной температуре, в МГД-генераторах с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима:

· С сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии;

· С сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры;

· Со снижением и температуры и кинетической энергии. Журнал «Квант» №11. 1980 г.

Классификация

· По источнику тепла

· Реактивные двигатели;

· Ядерные реакторы;

· Теплообменные устройства;

По рабочему телу:

· Продукты сгорания ископаемых топлив

· Инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей);

· Пары щелочных металлов;

· Двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов;

· Жидкие металлы и электролиты.

По типу рабочего цикла:

§ МГД-генераторы с открытым циклом. В данном случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из них присадки щелочных металлов выбрасываются в атмосферу.

электрический энергия магнитогидродинамический генератор

§ МГД-генераторы с замкнутым циклом. Здесь тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, передаётся в теплообменнике рабочему телу, которое затем, пройдя МГД-генератор, возвращается через компрессор, замыкая цикл.

§

По способу отвода электроэнергии

§ Кондукционные. В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток, который через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала, замыкается на внешнюю цепь. В зависимости от изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела такой МГД-генератор может генерировать постоянный или пульсирующий ток.

Двигатели кондукционного типа также могут быть выполнены двух типов: со свободный полем и каналового типа.

Принципиальная схема кондукционного движителя постоянного тока со свободным полем приведена на рис.1.

Поверхность внешнего корпуса состоит из чередующихся полюсов магнитной системы и электродов, к которым подводится напряжение постоянного тока. Биполярное поле затухает во внешнем пространстве (морской воде) по экспоненте и имеет глубину проникновения, равную . Тяга двигателя будет определяться интенсивностью магнитного поля и силой кондукционных токов. Как и в случае рассмотренных выше индукционных схем лучшей эффективности можно достичь в движителях кондукционного типа каналового типа. Схема такого двигателя представлена на рис.

рис 2.

Внешний и внутренние корпусы являются электродами (изолированными), к которым подводится разность потенциалов, обусловливающая протекание токов через морскую воду в каналах. Электромагниты создают азимутальное магнитное поле. Тяга двигателя создается электромагнитными силами при взаимодействии токов с магнитным полем. Низкая проводимость морской воды и малые значения индукции магнитного поля не могут обеспечить приемлемых КПД и удовлетворительных скоростей хода.

§ Индукционные. В индукционных МГД-генераторах электроды отсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля.

Примером такого двигателя может служить схема, разработанная применительно к большой подводной лодке и представленная на рис. Индукторы, создающие бегущее магнитное поле от носа к корме подводной лодки, расположены между внешним и внутренним корпусами лодки.

По форме канала

§ Линейные -- для кондукционных и индукционных генераторов;

§ Дисковые и коаксиальные холловские -- в кондукционных;

§ Радиальные -- в индукционных генераторах.

По системам соединений электродов

§ Фарадеевский генератор со сплошными или секционированными электродами. Секционирование электродов в фарадеевском МГД-генераторе делается для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и через электроды (эффект Холла) и тем самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки.

§ Холловский генератор, в котором расположенные друг против друга электроды коротко замкнуты, а напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора.

§ Сериесный генератор с диагональным соединением электродов.

Наибольшее распространение с 1970-х годов получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.

Характеристики

§ Мощность

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне температур 2000--3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11--13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления.

§ Скорость потока

Скорости потока в МГД-генераторе могут быть в широком диапазоне -- от дозвуковых до сверхзвуковых.

§ Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 Тл для магнитов со сталью и до 6--8 Тл для сверхпроводящих магнитных систем.

§ КПД

Теоретически КПД могут достигать50-60 %!

Электростанции с магнитогидродинамическими генераторами

Принцип работы электростанции с МГД генераторами

Топливо и легкоионизируемую присадку, в качестве которой используют К2СО3, вводят в камеру сгорания, куда одновременно подается воздух посредством компрессора. Для подогрева воздуха используют специальный воздухонагреватель. Продукты сгорания, представляющие собой ионизированный газ, попадают в МГД-канал. Магнитная система создает поле значительной напряженности, линии которого пронизывают МГД-канал. Ионы осаждаются на токосъемниках, которые создают напряжение постоянного тока. Для его преобразования в переменное напряжение используют инвертор. Выхлоп МГД-канала, температурой 2000?С попадает в котел, где происходит нагревание воды. Вращение генератора осуществляется посредством пароводяного контура, состоящего из турбин и конденсатного насоса. По сравнению с тепловой станцией, КПД которой равен 40%, коэффициент полезного действия вышеуказанного цикла может составлять 50-60%, что достигается за счет более полного использования и срабатывания тепловой энергии продуктов сгорания.

Преимущества МГД-генераторов

§ Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку

§ В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.

§ Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.

§ При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.

§ Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65% Высокая маневренность.

Недостатки МГД-генераторов

§ Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 - 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 - 2000 м/с

§ Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.

§ Среда в МГД-генераторе с открытым циклом - химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом - хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)

§ Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.

§ Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.

§ При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.

§ На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом этап концептуальных поисков в области МГД-генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку "У-02", работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно-промышленной МГД-установки "У-25", которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на "У-02". Успешный пуск этой первой опытно-промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД-энергоблок 500 МВт, включающий МГД-генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К-300-240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД-энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД-части. Коэффициент полезного действия МГД-500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт-ч). Головной МГД-энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД-генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД-установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД-генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД-генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

Использованная литература

1. Ашкинази Л. МГД-генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2-8

2. Рыжкин В.Электростанции газотурбинные, парогазовые, атомные и с МГД-генераторами//Тепловые электрические станции,1975,гл 25

3. Тамоян Г.С Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины" - МГД-машины и устройства.

4. Каулинг Т. Магнитная гидродинамика. М.: Изд-во МИР, 1964. 80 с.

5. http://www.naukadv.ru/pribory/mgd-generator.html «Физика машин»

6. http://livescience.ru/article_69/ «Живая наука»

Размещено на Allbest.ru