МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР

На протяжении длительного времени во многих странах мира ведутся рабо­ты по созданию установок безмашинного преобразования энергии из одного вида в другой. К таким установкам относятся магнитогидродинамические (МГД) генераторы.

На рис. 12.1 показана конструктивная схема МГД-генератора. Его прин­цип действия основан на законе электромагнитной индукции, открытого М. Фарадеем в 1831 году. Согласно этому закону в проводнике, движу­щемся поперек магнитного поля и замкнутом на внешнюю цепь, возни­кает электрический ток. Закон не устанавливает, что проводник должен представлять собой твердое тело. В МГД-генераторе в качестве проводника используется сильно нагретый газ (плазма), т. е. частично или полностью ионизированный газ при температуре не менее 2750°С. Требуемую тем­пературу можно понизить до 2200° С с помощью добавки в газ малых количеств примесей щелочных металлов, например, калия или цезия. Масса такой присадки не превышает 1…2% от массы газа. Такой газ представляет собой низкотемпературную плазму.

Плазма образуется в результате сгорания топлива в камере сгора­ния. Из камеры сгорания плазма направляется в расширяющийся канал (сопло), проходящим между полюсами магнита. Следовательно, магнит­ные линии пересекают поток плазмы. В расширяющемся канале скорость газа увеличивается до 800… 1000, м/с. В результате пересечения пото­ком плазмы магнитных линий между полюсами магнита на электродах возникает разность потенциалов, а при замыкании на внешнюю цепь — электрический ток. Следовательно, МГД-генератор является по существу динамо-машиной, в которой обмотка ротора заменена быстро несущимся потоком плазмы.

На рис. 12.2 приведена схема регенеративной установки с таким МГД — генератором. Атмосферный воздух поступает в воздушный компрессор (ВК), в котором сжимается (адиабата а-с; рис. 12.3) до давления pi = 300… 500 кПа. При сжатии воздух нагревается. После компрессора (ВК) воздух направляется в воздухоподогреватель (ВП) (регенеративный теп­лообменник). Здесь воздух нагревается до температуры 1200… 1500°С (процесс c-d; рис. 12.3), после чего он поступает в камеру сгорания КС. В эту же камеру поступает топливо и кислород, необходимый для интенси-

\Топхиес\

\МЩ

•яг

ГЛ£Ы Электро­энергия

Расширяющийся Канал Магнит

Электрод

МГД-генератора

Рис. 12.1. Конструктивная схема Рис. 12.2. Схема регенеративной уста-

[Водд]

Новки с МГД-генератором

Рис. 12.3. Тепловая диаграмма цик­ла регенеративной установки с МГД — генератором

Фикации процесса окисления (горения) топлива. В конце процесса горения, протекающего при постоянном давлении pi = 300… 500кПа, температура продуктов сгорания повышается до 2500… 3000° С (процесс d-z; рис. 12.3), после чего в них вводится присадка, и они становятся плазмой, обладающей хорошей проводимостью. В расширяющемся МГД-канале МГД продукты сгорания адиабатно расширяются (процесс Z—B; рис. 12.3) и разгоняются до большой скорости, одновременно вырабатывая электроэнергию. На выходе из МГД-канала продукты сгорания топлива, имея высокую температуру 2100… 2300°С, направляются в регенеративный воздухоподогреватель ВП, в котором их температура понижается примерно до 1500… 800° С (процесс Ъ-Ъ’; рис. 12.3).

Далее продукты сгорания топлива используются в обычной паротур­бинной установке. Выйдя из регенеративного воздухоподогревателя ВП,

Продукты сгорания топлива направляются в парогенератор ПГ, отдавая часть внутренней энергии воде (процесс B‘-F). Из парогенератора про­дукты сгорания топлива выходят в окружающую среду при температуре 150… 170°С (условный процесс /-а). В парогенераторе (ПГ) происходит парообразование с последующим перегревом (процесс 4-5-1).

Перегретый пар, полученный в парогенераторе (ПГ), направляется в паровую турбину (ПТ), в которой, расширяясь (процесс 1-2), совершает полезную работу, вращая якорь электрического генератора (Г). Отрабо­тавший в турбине пар отводится в конденсатор (КН), где переходит в жидкость (процесс 2-3), отдавая тепловую энергию воде. Вода из конден­сатора (КН) забирается водяным насосом (ВН) и подается в парогенератор (процесс 3-4)’

КПД преобразования МГД-генератора определяется отношением полез­ной электрической мощности к энтальпии потока газа на входе:

UI

% = т—,

Лвх

Где I — сила тока; U — напряжение; H^ — энтальпия потока газа на входе в канал.

Процесс истечения можно принять адиабатным, тогда используя сред­нее значение теплоемкости в диапазоне температур от Твх (на входе в канал) до Тк (на выходе из канала), КПД определим по формуле:

^ _______________________ Л’ВХ ^ВЫХ _____ | ___ Увых ____ J ___ / Рвых \ 8 к

Йвх Твх V Рвх /

МГД-установки являются перспективными энергетическими установка­ми. Это объясняется рядом преимуществ:

• отсутствие подвижных частей;

• высокая начальная температура рабочего тела;

• отсутствие перепада температур между источником тепловой энергии и рабочим телом, что позволяет осуществить равновесный процесс подвода тепловой энергии к нему;

• высокий КПД (более 50%) и возможность его повышения;

• возможность работы по замкнутому циклу, в результате чего исклю­чается выброс газов в окружающую среду, ухудшающих экологические характеристики воздушной среды.

Однако реализовать эти преимущества и освоить массово МГД — установки в инженерной практике пока не представляется возможным. Эти проблемы и пути их решения рассматриваются в специальных исследова­ниях по данному вопросу.