Магнитогидродинамический генератор

Магнитогидродинамический  генератор

МГД генератор

Магнитогидродинамический  генератор, МГД-генератор — энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно в электрическую энергию.

Происхождение названия

В МГД-генераторе происходит прямое преобразование механической энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой, что и дало наименование устройству.

Особенности

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. Но, в отличие от машинных генераторов, в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:

• Электролиты
• Жидкие металлы
• Плазма (ионизированный газ)

Первые МГД-генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты), в настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. В таком генераторе может наблюдаться дополнительное электрическое поле, так называемое поле Холла, которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Устройство

МГД-генератор состоит из канала, по которому движется рабочее тело (обычно плазма), системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию.

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10000 К). Для работы 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.

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

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 короткозамкнуты, 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.

История изобретения

Модель магнитогидродинамической установки У-25, Государственный Политехнический музей (г.Москва)

Впервые, идея использования  жидкого проводника была выдвинута  ещё Майклом Фарадеем, в 1832 совершившим неудачную попытку применения её на практике. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, индуцированную приливными волнами в Ла-Манше, однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.

В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах) и генерирование электрической энергии.

Хотя первые патенты на МГД-преобразования энергии были выданы ещё в самом начале XX века, описанные в них конструкции были на практике нереализуемы.

Первый работающий МГД-генератор был построен только в 1950-х годах благодаря развитию теории магнитной гидродинамики и физики плазмы, исследованиям в области физики высоких температур и созданию к этому времени жаропрочных материалов, использовавшихся тогда, прежде всего, в ракетной технике.

Источником плазмы с температурой 3000 К в первом МГД-генераторе, построенном в США в 1959 году, служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. Мощность генератора составляла 11,5 кВт. К середине 60-х годов мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по 32 МВт («Марк-V», США).

В СССР первая лабораторная установка «У-02», работавшая на природном топливе, была создана в 1965. В 1971 году была пущена опытно-промышленная энергетическая установка «У-25», имеющая расчётную мощность 20—25 МВт.

«У-25» работала на продуктах  сгорания природного газа с добавкой K₂CO₃ в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3000 К. Установка имела два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе, и вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора. Электрическое оборудование «У-25» состояло из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах.

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.

Достоинства

Основное преимущество МГД-генератора — отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, КПД электростанции.

В сочетании с паросиловыми установками, МГД-генератор позволяет получить большие мощности в одном агрегате, до 500—1000 МВт.

Применение

Теоретически, существуют три  направления промышленного применения МГД-генераторов:

1. Тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); такие установки наиболее просты и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;
2. Атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе, нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K;
3. Термоядерные электростанции безнейтронного цикла (например, D + ³He → p + ⁴He + 18,353 МэВ) c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;
4. Циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Энергетические установки  с МГД-генератором могут применяться также как резервные или аварийные источники энергии в энергосистемах, для бортовых систем питания космической техники, в качестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей на короткие промежутки времени (например, для питания электроподогревателей аэродинамических труб и т. п.).

Несмотря на заманчивые перспективы  и бурное развитие исследований в  области МГД-генераторов в 1970-е, устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплоть до настоящего времени.

Принцип действия МГД-генератора. Плазменные МГД-генераторы.

Магнитогидродинамический  генератор (59) представляет собой устройство, преобразующее кинетическую энергию  электропроводящего потока, движущегося  в поперечном магнитном поле, в электроэнергию. В потоке индуцируется электрическое поле с напряженностью ЕННд

- [VB], где V - скорость потока; В - магнитная индукция. 

Если канал имеет ширину в, то на стенках канала, параллельных направлению магнитного поля (электродных  стенках), возникает эдс Е =VBe. До тех пор, пока электроды не замкнуты на нагрузку, электромагнитные силы на поток не действуют. При замыкании цепи в потоке рабочего тела (жидкости или газа) потечет ток I = Е (l-k)/Rr, где Rr - внутреннее сопротивление генератора; к = U/E - коэффициент нагрузки; U - напряжение на нагрузке;

В соответствии с законами электродинамики на единицу длины  проводника с током I, находящегося в поперечном магнитном поле В, действует сила F = IB, которая тормозит поток и преобразует его кинетическую энергию в электрическую энергию протекающего тока.

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.