Смотреть что такое "МГД генератор" в других словарях

 Смотреть что такое

Происхождение названия

Особенности

Устройство

Классификация

По источнику тепла

По рабочему телу

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

Впервые, идею использования жидкого проводника была выдвинута ещё Майклом Фарадеем , в совершившим неудачную попытку применения её на практике. В дальнейшем, в 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.

Использование: для производства электроэнергии. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования энергии. Генератор содержит корпус из диэлектрика, имеющий форму тора, с покрытием из сегнетоэлектрика, на внутренней поверхности полярная жидкость заполняет тор. Обмотки возбуждения соединены с источником переменного тока и создают бегущее магнитное поле, перемещающее полярную жидкость. В противолежащие стенки тора радиально встроена камера стабилизации движения полярной жидкости в виде полого цилиндра с обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока. В торе расположены электроды устройства ионизации полярной жидкости, подключенные к высоковольтному источнику периодического напряжения, выполненному из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии и индуктивного накопителя электроэнергии с управляемыми выключателями, на внешней поверхности тора размещена по крайней мере одна силовая обмотка с подключенным к ней молекулярным накопителем электроэнергии. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт.

Известен МГД-генератор, содержащий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, открытые торцы которого служат для впуска и выведения жидкостной рабочей среды, электромагнитные обмотки, создающие магнитное поле, направленное перпендикулярно оси цилиндра, и размещенные в цилиндре электроды, установленные параллельно направлению магнитного поля (см. патент Японии N 2713216, кл. H 02 К 44/00, оп. 1998). В известном генераторе в качестве рабочей электропроводной среды, перемещающейся вдоль оси цилиндра, используется морская вода, например, в виде морских волн, а электрическая нагрузка подключена к электродам.

Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, обусловленная малой скоростью перемещения жидкости в полом цилиндре и низкой электропроводностью естественной морской воды.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является магнитогидродинамический генератор, содержащий корпус из немагнитного материала, имеющий форму тора, с диэлектрическим покрытием на внутренней стенке и электромагнитную систему, состоящую из обмоток возбуждения и силовых обмоток, подключенных к нагрузке (см. патент РФ N 2109353, кл. H 02 К 44/00, оп. 1998).

В известном генераторе в качестве рабочей среды, заполняющей тороидальный канал, используется высокотемпературный газ, который вводится в канал из камер сгорания, снабженных устройствами импульсного введения в них топлива и окислителя. Камеры сгорания распределены по длине тора и встроены в его стенку, при этом в тороидальном канале размещены термоэлектроды, расположенные в соответствующих зонах расположения обмоток возбуждения.

Недостатком известного МГД-генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования энергии перемещающейся высокотемпературной электропроводной среды в электрическую энергию вследствие ограниченного объема, занимаемого в тороидальном пространстве ионизированным высокотемпературным газом, и низкой электропроводности рабочей среды. Кроме того известный генератор имеет низкую эксплуатационную надежность, поскольку высокотемпературная рабочая среда взаимодействует с внутренними поверхностями камер сгорания и тора и элементами, размещенными в них. Эксплуатационная надежность снижается также вследствие сложности конструкции системы получения высокотемпературной рабочей среды.

Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования энергии магнитогидродинамическим генератором при одновременном увеличении его эксплуатационной надежности.

Решение указанной задачи обеспечивается новым МГД- генератором, содержащим корпус из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика, а внутренняя полость заполнена полярной жидкостью, соединенные с источником переменного тока электромагнитные обмотки возбуждения, создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, устройство ионизации полярной жидкости, состоящее из электродов, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с управляемым выключателем, по крайней мере одну присоединенную к нагрузке силовую обмотку, охватывающую внешнюю поверхность тора, с подключенным к ней молекулярным накопителем получаемой электроэнергии и камеру стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, встроенного радиально в противолежащие стенки тора, при этом цилиндр охвачен электромагнитной обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока; при этом предпочтительно: обмотки возбуждения размещать в полярной жидкости; обмотки возбуждения выполнять в виде секций, равномерно распределенных по длине тора; электроды устройства ионизации равномерно распределять по длине тора; внутреннюю поверхность цилиндра выполнять с покрытием из сегнетоэлектрика; электромагнитные обмотки, управляемое зарядное устройство, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем выполнять в виде единого функционального блока; в генератор дополнительно ввести блок управления на микропроцессорах, соединенный с зарядным устройством, выключателем молекулярного накопителя электроэнергии, выключателем индуктивного накопителя электроэнергии и с электромагнитными обмотками возбуждения; генератор дополнительно снабжать системой замены полярной жидкости; систему замены полярной жидкости выполнять в виде по крайней мере одного патрубка с вентилем; корпус выполнять разъемным и дополнительно использовать в виде системы замены полярной жидкости, при этом разъемный корпус использовать при замене диэлектрического покрытия, электромагнитных обмоток и электродов.

Использование в качестве рабочей среды, заполняющей тороидальный канал корпуса, полярной жидкости позволяет посредством ионизации обеспечивать высокую электропроводность рабочей среды и эксплуатировать генератор при сравнительно низких температурах, например при температурах ниже температуры кипения полярной жидкости, в качестве которой может быть использована дистиллированная вода, что приводит к существенному повышению эксплуатационной надежности генератора. Выполнение покрытия на внутренней поверхности тора из сегнетоэлектрика обеспечивает повышение электропроводности полярной жидкости, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии. В качестве полярной жидкости может быть использована, например, дистиллированная вода или смесь дистиллированной воды и тяжелой воды. Сегнетоэлектрические вещества, например титанат бария, обладают повышенными значениями удельной диэлектрической проницаемости (более 6000 относительных единиц). При взаимодействии ионизированной полярной жидкости с покрытием из сегнетоэлектрика формируется мощное электрическое поле напряженностью порядка 10000 кВ/см и происходит пробой физического вакуума. При этом слой сегнетоэлектрика генерирует колебания частотой 25000 Гц, что способствует дальнейшему разложению молекулярных структур. Одновременно за счет бесконечных электростатических разрядов и пробоев в кавитационно-вакуумных структурах проходят реакции "холодного" ядерного синтеза с высвобождением значительной энергии (порядка 6 кДж/моль). Это приводит к ускорению процесса ионизации полярной жидкости и существенному повышению ее электропроводности. Кроме того, с поверхности сегнетоэлектрического потока полярной жидкости постоянно удаляются незавершенные электрические связи и благодаря этому в ней формируется упорядоченный поток электронов. Введение в состав генератора устройства ионизации полярной жидкости, выполненного в виде электродов, распределенных по длине тороидального канала и подключенных к высоковольтному источнику периодического напряжения, позволяет обеспечить значительное увеличение электропроводности рабочей среды, циркулирующей в тороидальном канале, что также приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Циркуляция ионизированной полярной жидкости в тороидальном канале обеспечивается посредством электромагнитных обмоток возбуждения, выполняемых обычно в виде секций, распределенных по длине тора и подключенных к источнику переменного тока, при этом обмотки возбуждения создают бегущее магнитное поле. Для уменьшения потерь, обусловленных рассеянием магнитного поля, обмотки возбуждения предпочтительно размещать в полярной жидкости, заполняющей тороидальный канал, что будет способствовать повышению преобразования энергии. Движение жидкости при этом стабилизируется при помощи камеры, имеющей форму полого цилиндра, который радиально встроен в противолежащие стенки корпуса, и ось цилиндра проходит через центральную зону тора. Полярная жидкость, заполняющая цилиндр, сглаживает возмущения, возникающие в потоке полярной жидкости в процессе ее периодической ионизации высоковольтными разрядами. Использование электромагнитной обмотки, охватывающей внешнюю поверхность цилиндра и подключенной к источнику постоянного тока, позволяет сформировать постоянное магнитное поле, взаимодействие которого с потоком ионизированной жидкости приводит к дополнительному увеличению эффективности преобразования энергии. Выполнение высоковольтного источника периодического напряжения в устройстве ионизации полярной жидкости в виде параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным к нему управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным к нему управляемым выключателем позволяет обеспечить формирование мощных высоковольтных импульсов (за счет значительной электрической емкости молекулярного накопителя) с крутыми фронтами нарастания напряжения, обеспечиваемыми наличием индуктивного накопителя. Равномерное распределение электродов устройства ионизации полярной жидкости по длине тора позволяет равномерно ионизировать весь объем рабочей среды. Предпочтительно выполнять электромагнитные обмотки, управляемое зарядное устройство, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем в виде единого функционального блока, что позволяет упростить конструкцию генератора и повысить его эксплуатационную надежность. Введение в состав генератора блока управления на микропроцессорах, подключаемого к зарядному устройству, выключателю молекулярного накопителя электроэнергии и к выключателю индуктивного накопителя электроэнергии, обеспечивает надежное функционирование устройства ионизации полярной жидкости при заданных параметрах и регулирование величины вырабатываемой генератором электроэнергии, например, за счет регулирования периодичности высоковольтных импульсов.

Предпочтительно вводить в состав генератора систему замены полярной жидкости, например, выполняемую в виде патрубков, снабженных вентилями, что позволяет обеспечить постоянную или периодическую замену полярной жидкости, заполняющей тор, и тем самым обеспечить бесперебойное функционирование генератора. При выполнении системы замены полярной жидкости в виде разъемного корпуса, кроме того, возможна замена сегнетоэлектрического покрытия, электродов системы ионизации и электромагнитных обмоток возбуждения после длительной эксплуатации генератора.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 - общий вид МГД- генератора, фиг. 2 - поперечное сечение генератора.

Магнитогидродинамический генератор содержит: корпус 1 из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием 2 из сегнетоэлектрика, а внутренняя полость заполнена полярной жидкостью 3, устройство ее ионизации, состоящее из электродов 4, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства 5, молекулярного накопителя электроэнергии 6 и индуктивного накопителя электроэнергии 7, к которым последовательно подключены соответственно управляемые выключатели 8 и 9, электромагнитные обмотки возбуждения 10, размещенные в полярной жидкости и соединенные с источником переменного тока (не показан), создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, камеру 11 стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, радиально встроенного в противолежащие стенки тора (см. фиг. 1), по крайней мере одну силовую обмотку 12, присоединенную к нагрузке и охватывающую внешнюю поверхность тора, к которой подключен молекулярный накопитель электроэнергии 13, электромагнитную обмотку 14, охватывающую внешнюю поверхность цилиндра и подключенную к источнику постоянного тока 15.

Корпус 1, имеющий форму тора, изготавливается из диэлектрического материала, например из стеклопластика или оргстекла, при этом внутренняя поверхность тора выполнена с покрытием 2 из сегнетоэлектрика, в качестве которого может использоваться титанат бария. Тор 1 может быть выполнен герметичным. В противолежащие стенки тора 1 встроен полый цилиндр 11, изготавливаемый из того же материала, что и тор. Внутреннюю поверхность цилиндра 11 предпочтительно выполнять с покрытием из сегнетоэлектрика, при этом цилиндр 11 проходит через центральную зону тора 1. Внутренние полости тора 1 и цилиндра 11 частично или полностью заполняются полярной жидкостью, например смесью, состоящей из дистиллированной и тяжелой воды, при этом количество тяжелой воды составляет 5-10% вес. от общего веса смеси. Электромагнитные обмотки возбуждения 10 предпочтительно выполнять в виде секций, равномерно распределенных по длине тора 1. Обмотки 10 предпочтительно размещать в полярной жидкости 3, заполняющей тор 1. Электроды 4 устройства ионизации полярной жидкости изготавливаются из твердосплавных материалов. В качестве молекулярных накопителей электроэнергии 6 или 13 предпочтительно использовать отечественные накопители (см. Иванов А.М. и Герасимов А.Ф. "Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя", "Электричество", 1991, N 8, с.с. 16-19). Управляемые выключатели 8,9 предпочтительно выполнять из полупроводниковых элементов, например из тиристоров, что позволяет упростить силовые цепи и повысить эксплуатационную надежность устройства ионизации полярной жидкости.

Заявленный МГД-генератор работает следующим образом. Частично ионизированную полярную жидкость 3, заполняющую внутреннюю полость тора 1, дополнительно периодически ионизируют посредством высоковольтных разрядов, возникающих между электродами 4, которые запитывают от молекулярного накопителя электроэнергии 6 и от индуктивного накопителя электроэнергии 7, периодически заряжаемых в паузах между разрядами от управляемого зарядного устройства 5. При этом разряды могут производиться от молекулярного накопителя электроэнергии 6 после замыкания сигналом, поступающим с блока управления (не показан) выключателя 8 при разомкнутом выключателе 9. Разряды могут производиться и от индуктивного накопителя электроэнергии 7, который предварительно заряжается от накопителя 6 при размыкании управляемого выключателя 9. С помощью электромагнитных обмоток возбуждения 10, подключенных к источнику переменного тока (не показан) в полярной жидкости 3 формируется бегущее магнитное поле, которое создает движение полярной жидкости в одном направлении по тороидальному каналу корпуса 1. За счет электромагнитной индукции в силовых обмотках 12 наводится ЭДС и в полезную электрическую нагрузку поступает вырабатываемая генератором энергия. Одновременно производится подзарядка молекулярных накопителей электроэнергии 13, являющихся буферными элементами между силовыми обмотками 12 (на чертеже указана только одна из них) и нагрузкой, которая может содержать импульсные и повторно-кратковременные потребители энергии. Камера 11 стабилизирует поток движения полярной жидкости 3 в тороидальном канале 1, при этом используется взаимодействие электронных зарядов цилиндра 11 с зарядами в торе 1. В тороидальном канале 1 возникают свободные электроны, при этом выделяется избыточная энергия в полярной жидкости 3 и в слое сегнетоэлектрика, которые подлежат замене по мере расходования.

В сравнении с известным заявленный МГД-генератор позволяет повысить эффективность преобразования энергии более чем на 10%. Кроме того, за счет существенного снижения температуры рабочей среды генератора и упрощения его конструкции увеличилась эксплуатационная надежность генератора. Заявленный генератор является компактным устройством, не требующим постоянного обслуживания, при этом он может использоваться в передвижных установках и имеет срок службы не менее 10 лет.

1. МГД-генератор, содержащий корпус из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика и заполнена полярной жидкостью, соединенные с источником переменного тока обмотки возбуждения, создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, устройство ионизации полярной жидкости, состоящее из электродов, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным управляемым выключателем, по крайней мере, одну присоединенную к нагрузке силовую обмотку, охватывающую внешнюю поверхность тора, с подключенным к ней другим молекулярным накопителем электроэнергии, и камеру стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, встроенного радиально в противолежащие стенки тора, и охваченного электромагнитной обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что обмотки возбуждения размещены в полярной жидкости.

3. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обмотки возбуждения выполнены в виде секций, равномерно распределенных по тору.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электроды устройства ионизации равномерно распределены по тору.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра камеры стабилизации движения полярной жидкости выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика.

6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные обмотки, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем выполнены в виде единого функционального блока.

7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен системой замены полярной жидкости.

8. Генератор по п. 7, отличающийся тем, что система замены полярной жидкости выполнена в виде, по крайней мере, одного патрубка с вентилем.

Способ исследования электрического разряда в мгд-канале фарадеевского типа и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области электротехники и МГД техники и может быть использовано в индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, в химической и металлургической промышленности, а также в магнитогидродинамических машинах и линейных индукционных двигателях

Принцип действия магнитогидродинамического генератора (МГД – генератора) заключается в том, что при движении ионизированного газа (низкотемпературной плазмы) через сильное магнитное поле в нем индуцируется электрический ток. Низкотемпературная плазма возникает при нагревании газа до температуры 2300 – 3000 К, когда от его молекул или атомов отрываются внешние электроны, вследствие чего газ ионизируется и становится проводником электрического тока.

Электроэнергия (постоянный ток) отбирается из плазмы керамическими электродами и выдается в цепь и далее в инверторы, где преобразуется в переменный ток, поступающий в сеть. Для увеличения электропроводности газа в него дополнительно вводят легкоионизируемые вещества – щелочные металлы: калий, натрий и др.

В МГД – генераторах отсутствуют громоздкие вращающиеся части, отпадает необходимость применения турбомашин для привода генератора.

МГД – генераторы разрабатываются двух типов: открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органического топлива, и закрытого цикла, в которых непрерывный поток инертных газов (аргона, водорода) нагревается в теплообменниках продуктами сгорания.

На рис.3.7 представлена схема магнитогидродинамической установки. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и после предварительного нагрева в регенераторе 2 поступает в камеру сгорания 3. Туда же подается топливо и присадки. Нагретые до температуры2500 – 3000 К. продукты сгорания поступают в сопло 4, где расширяются, а затем в канал 5,где генерируют электрический ток, пересекая магнитное поле. Для создания сильного магнитного поля снаружи канала 5 размещена обмотка 6, к которой подведен переменный электрический ток от блока питания 7. В канале МГД – генератора размещены керамические электроды для отвода электроэнергии.

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – сопла; 5 – канал МГДГ; 6 – обмотка электромагнитов; 7 – блок питания магнитов; 8 – электроды; 9 – парогенератор; 10 – турбина; 11 – конденсатор; 12 – насос.

Рис. 3.7-Схема магнитогидродинамической установки

Отработанные газы с температурой до 2300 К. поступают в регенератор 2, где частично отдают тепло поступающему воздуху и далее направляются в парогенератор 9, где вырабатывают водяной пар. Охлажденные до температуры 150 0 С отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Полученный водяной пар поступает в турбину 10, затем конденсируется в конденсаторе 11 и насосом 12 вновь закачивается в парогенератор.

МГД – генератор позволяет значительно повысить начальную температуру рабочего тела, и, следовательно, КПД электростанции. МГД – генератор в комплексе с обычным турбогенератором в качестве второй ступени дает возможность повысить общий КПД такой энергетической установки до 50 – 60%.

Первый магнитогидродинамический генератор тока был испытан еще в 1832 г., английским физиком М. Фарадеем, который пытался обнаружить возникновение электродвижущей силы (ЭДС) между двумя электродами, опущенными в воды реки Темзы вблизи моста Ватерлоо в Лондоне. Действительно, согласно только что открытому Фарадеем закону электромагнитной индукции, движение проводника (в данном случае слабо солоноватой речной воды) в магнитном поле Земли должно было сопровождаться возникновением ЭДС и электрического тока в проводниках, соединяющих электроды. Измерительная техника, которой обладал Фарадей, не позволила ему обнаружить ожидаемый эффект, но по существу данный эксперимент содержал все принципиальные элементы современного МГД-генератора тока: движущееся по каналу проводящее вещество, поперечное магнитное поле, токосъемные электроды.

Эффект электромагнитной индукции используется и в обычных источниках тока - элек-тромашинных генераторах, где поперек магнитного поля движутся жесткие проводники, размещенные на вращающемся роторе. В отличие от них в МГД-генераторе жесткие проводники заменены проводящей жидкостью или газом. Какие преимущества при этом возникают? Ротор электромашинного генератора вращает паровая турбина или другой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия превращается в механическую. МГД-генератор позволяет непосредственно превращать тепловую энергию в электричество без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания.

Почему же до сих пор используют обычные генераторы? Проблема заключается в создании необходимого «рабочего тела» для МГД-генераторов. Жидкие металлы неудобны в обращении, да и не так просто заставить их двигаться по каналу с большими скоростями. Поэтому МГД-генераторы на жидких металлах не получили широкого распространения. Чаще применяются МГД-насосы для жидких металлов и других проводящих жидкостей, устройства, где электрический ток вызывает движение проводящей жидкости, а не наоборот, как в генераторе. Проводимость же газов ничтожно мала. Она возрастает лишь тогда, когда газ, нагреваясь, начинает ионизоваться и превращаться в плазму. Но для получения достаточной электропроводности даже при использовании самых легко ионизуемых веществ - паров щелочных металлов - необходимы температуры в 2000-3000° С. Такие высокие температуры достигаются в струе ракетного двигателя, и на его основе, действительно, получаются хорошие МГД-генераторы, компактные и очень мощные устройства. Однако токосъемные электроды таких генераторов при столь высоких температурах могут работать лишь очень короткое время - секунды или в лучшем случае десятки секунд. С использованием ракетных двигателей уже созданы МГД-генераторы, рассчитанные на очень большие мощности и малую длительность работы.

Они нзходят применение, например, для геофизических исследований.

Для того чтобы использовать МГД-генера-торы в большой энергетике, необходимо найти способ получения хорошей электропроводности газа при значительно более низких температурах (желательно не выше 1000°), которые могут быть достигнуты в современных высокотемпературных атомных реакторах. В принципе это возможно. Можно иметь неравные температуры ионов и электронов плазмы, например в газоразрядных лампах. Более высокая температура электронов может поддерживаться за счет их нагрева протекающим по плазме электрическим током. Такое состояние плазмы в канале МГД-генератора оказывается, однако, неустойчивым. Плазма разбивается на слои - с хорошей и плохой проводимостью, и общая проводимость при этом оказывается малой. (При последовательном соединении проводников их общее сопротивление определяется сопротивлением самого плохого проводника.) Пока не доказано, что возникающая неустойчивость неустранима, и работы в этом направлении продолжаются. Одновременно продолжаются исследования с целью снижения требований к температуре газа и повышения стойкости и рабочего ресурса электродов при повышенных температурах. Электростанции с мощными МГД-генераторами можно было бы использовать для покрытия пиковых нагрузок в электросетях. Первая промышленная МГД-электростанция строится сейчас в нашей стране.

МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (МГД-генератор) - устройство, в к-ром за счёт явления электромагнитной индукции в канале с наложенным магн. полем внутр., тепловая или (и) кинетич. и потенциальная энергии потока электропроводящей среды преобразуются в электрич. энергию. Рабочим телом М. г. могут быть или проводящая жидкость (жидкие металлы, электролиты). Низкотемпературная в М. г. представляет собой продукты сгорания природных или спец. топлив с легкоионизуемыми добавками соединений щелочных металлов или инертные газы также со щелочными добавками в равновесном или термически неравновесном состояниях. Используются М. г. в т. н. установках прямого преобразования энергии. Идея МГД-преобразования энергии была высказана М. Фарадеем (М. Faraday) ещё в 1831, а осн. принципы устройства совр. М. г. сформулированы в 1907-22, однако их практич. реализация оказалась возможной только в конце 50-х гг. в связи с развитием гл. обр. магн. гидродинамики, плазмы и аэрокосмич. техники.

Рис. 1. Схема линейного фарадеевского секционированного МГД-генератора: 1 - канал; 2 - электроды; 3 - межэлектродные изоляторы; 4 - боковые изоляционные стенки; 5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке.

Устройство и принцип действия . М. г. состоит (рис. 1-3) из канала, в к-ром формируется поток, индуктора, создающего стационарное или переменное (бегущее) магн. поле, системы съёма энергии с помощью электродов (кондукционные М. г.) или связи потока с цепью нагрузки (индук-

Рис. 2. Схема дискового холловского МГД-генератора: 1 - обмотка индуктора; 2 - канал генератора; 3 -подвод рабочего тела; 4 -выходной холловский электрод; 5 - входной холловский электрод;

ционные М. г.). Каналы могут иметь разл. конфигурацию: быть линейными, дисковыми (с радиальным течением рабочего тела, вихревым), коаксиальными (в т. ч. с винтовым потоком) и др. Оптимальной в каждом конкретном случае является конфигурация, в к-рой вектор скорости потока перпендикулярен силовым линиям магн. поля для заданного типа магн. системы. Используемые в М. г. магн. системы выполняются либо на основе традиц. технологии со стальным магнитопроводом (для М. г. небольшого масштаба), либо безжелезными со сверхпроводящими обмотками. Эдс и ток, генерируемые в МГД-потоке при использовании любого проводящего рабочего тела, направленные нормально к вектору скорости и и магн. индукции В, наз. фарадеевскими. Если рабочим телом М. г. является достаточно разреженная плазма, в к-рой частота для электронов сравнима или больше частоты их столкновений с нейтралами и ионами, то электроны между столкновениями в плазме успевают пройти заметную дугу по ларморовской окружности, т. е. они будут дрейфовать в направлении, перпендикулярном приложенным скрещенным элект-рич. и магн. полям. Как следствие этого дрейфа (Холла эффект )при замыкании цепи фарадеевского тока возникает холловская эдс, направленная по потоку, а электропроводность становится тензорной величиной. При этом холловский ток снижает эффективную электропроводность рабочего тела.

Рис. 3. Схема коаксиального индукционного МГД-генератора: 1 - подвод рабочего тела; 2 - мгновенная эпюра бегущего магнитного поля; 3 - наружный корпус канала МГД-генератора, на котором размещается волновая обмотка индуктора (статор); 4 - выхлоп; 5 - стенка и внутренний магнитопровод МГД-генератора.

Электрич. энергия в МГД-канале генерируется за счёт работы потока (здесь - отнесённой к ед. объёма), совершаемой против объёмных сил эл--магн. торможения, , где J - полного тока. Полезное взаимодействие обусловлено только фарадеевской компонентой тока J ф. В то же время генерируемая мощность выделяется в цепи как фарадеевского, так и холловского тока при соответствующем нагружении. По способу электрич. нагружения различают М. г.: 1) фарадеевского типа (рис. 1) с электродами, как правило, секционированными в продольном направлении при соответствующем секционировании нагрузки для предотвращения замыкания по ним холловского тока; 2) холловского типа (рис. 4, а ), в к-ром фарадеевская цепь замкнута накоротко для увеличения холловского напряжения и тока в нагрузке; 3) сериесного, т. е. с последовательным соединением электродов, наз. также диагональным (рис. 4, б ), где рабочими являются обе компоненты напряжения и тока. Фарадеевский секционированный М. г. обладает наилучшими электрич. характеристиками, но наименее удобен для использования из-за необходимости гальванич. развязки всех цепей нагрузки. Для холловского М. г. требуется единственная нагрузка, но в генераторе этого типа электрич. кпдзначительно ниже, чем у фарадеевского М. г. Диагональный М. г. имеет лишь несколько более сложную схему электрич. нагружения, чем холловский, но его характеристики почти такие же, как у фарадеевского. Способ электрич. нагружения М. г. в значит. мере связан с типом конструкции канала и магн. системы, и, в частности, нек-рые конфигурации М. г. предназначены для использования только одного из видов нагружения. Так, в дисковом холловском М. г. (рис. 2) круговой фара-деевский ток полностью замыкается по призме, кольцевые электроды на входе и выходе канала используются только для съёма холловского тока.


Рис. 4. Электрические схемы линейных МГД-генераторов: холловского (а ) и диагонального (б ) типов: 1 - электроды;

В индукц. М. г. бегущее магн. поле создаёт в потоке рабочего тела токи разл. направления, образующие пространственно замкнутые петли, индуктивно связанные с сетевой обмоткой индуктора (статора), что обеспечивает передачу в сеть генерируемой электрич. мощности. При этом, однако, за счёт одноврем. изменения в потоке знака магн. поля и тока не изменяется направление действия пондеромоторной - тормозящей - силы. Существенным ограничением применения плазменных индукц. М. г. в сравнении с жидкометаллическими является малое значение (из-за относительно невысокой электропроводности плазмы) магн. числа Рейнольдса, к-рым определяется отношение активной и реактивной составляющих мощности М. г. Жидкометаллич. М. г. во многом подобны обычным асинхронным электрич. генераторам, в частности выполненные в конфигурации рис. 3.

Важнейшие характеристики М. г . при их использовании в энергетич. установках - мощность N , внутр. относительный кпд и коэф. преобразования энергии. Мощность в единице объёма определяется как = . Входящие в это выражение характерные величины , учитывают влияние на уровень генерируемой мощности джоулева тепловыделения, приэлектродных падений напряжения, электрич. утечек и, соответственно, неоднородностей распределения проводимости в поперечном сечении канала и токов Холла. Условием эффективной работы плазменного М. г. является уровень энерговыделения N 20-50 МВт/м 3 , при к-ром относит. потери за счёт теплоотдачи к стенкам и трения несущественны. При использовании термически равновесной плазмы, в к-рой проводимость очень сильно зависит от темп-ры, а разгон потока достигается за счёт срабатывания части его тепловой энергии, даже при В 5 Т (что в стационарных условиях возможно только при использовании сверхпроводящих магн. систем) необходима начальная темп-ра 2500 °С. При этом в канале ~10 См/м режим течения - околозвуковой (и~ 1000 м/с).

При использовании в М. г. плазмы инертных газов за счёт индуцир. поля возможно повышение темп-ры электронов, значительное увеличение степени плазмы и её проводимости. Экспериментально показана возможность получения необходимой для работы М. г. проводимости плазмы при температуре 2000 К. Ведутся исследования и разработки этого типа М. г.

В жидкометаллич. М. г. проблемой является разгон рабочего тела до высоких скоростей, осуществляемый за счёт работы расширения пара металлов, ускорения им жидкой фазы и последующей конденсации пара в устройствах типа эжектора перед М. г. или путём сепарации жидкой фазы двухфазного потока, набегающего на клин. Эти процессы сопровождаются большой , кпд такого разгонного устройства ~10%, что определяет низкую результирующую эффективность преобразования работы расширения пара в электрич. энергию.

Внутр. относительный кпд характеризует отношение мощности М. г. к мощности гипотетич. преобразователя без диссипации энергии при одинаковом перепаде давления от входа де выхода устройства. В идеальном случае внутр. относительный кпд несколько ниже электрич. кпд. Оптимальное значение этого параметра для плазменного М. г. с большим срабатыванием темп-ры ~0,7; оно характеризует затраты энергии в термодинамич. цикле на сжатие рабочего тела.

Коэф. преобразования энергии в М. г.- это отношение произведённой электрич. энергии к энергии, подведённой к рабочему телу в плазменном М. г. или к пару жидкого металла в энергетич. установках с жидкометалич. М. г. Этот результирующий показатель оценивается на уровне 0,1 для плазменных мобильных, автономных энергетич. МГД-установок, 0,25- для крупных М. г. комбинир. теплоэлектрич. станций и 0,1 - для жидкометаллических.

Конструкция М. г. и организация течения в канале оказывают существенное влияние на характеристики М. г., прежде всего плазменных. Продольный холлов-ский ток, возникающий при резкой неоднородности проводимости в потоке, вследствие несовершенства электроизоляции, при недостаточно тонком продольном секционировании электродов и, в частности, из-за межэлектродного холловского пробоя, вызывает резкое снижение эффективной проводимости, а следовательно, и мощности. Осн. неоднородности в течение вносят , развивающиеся на стенках М. г. и имеющие тенденцию к "отрыву" при сильном торможении потока. В кондукц. М. г. в "холодной" области приэлектродного пограничного слоя возникает контракция тока, она сопровождается значит. падением напряжения и повышенной электродуговой эрозией электродов. С целью повышения эффективности М. г. за счёт снижения тепловых потерь на стенке и устранения дуговых явлений на электродах ведутся исследования и разработки "горячих" керамич. стенок с темп-рой ~2000 К.

Отсутствие в М. г. и устройствах нагрева рабочего тела (камере сгорания, теплообменных аппаратах регенеративного типа с неподвижной насадкой) движущихся механически нагруженных высокотемпературных элементов конструкции, а также возможность охлаждения стенок позволяют использовать М. г. в высокотемпературных циклах энергетич. установок для преобразования энергии с высоким кпд. Однако из-за резкого снижения эффективности плазменных М. г. при понижении темп-ры они используются в качестве высокотемпературной ступени бинарного цикла в составе комбинир. теплоэлектростанций (ТЭС) (в качестве надстройки к традиц. паросиловой установке).

Применение М. г . Для энергетики, базирующейся на использовании органич. топлива, перспективны и разрабатываются М. г. на плазме продуктов сгорания, применение к-рых в составе комбинированных МГД ТЭС открытого цикла даёт существ. экономию топлива и решает ряд экологич. проблем (уменьшение вредных выбросов, экономия охлаждающей воды). Опытно-промышленные разработки и исследования ведутся на МГД-установках У-25 (Москва) на газе и МО-10, МО-25 (Кохтла-Ярве, Эст.ССР) на угле соответственно тепловой мощностью-150 и до 25 МВт. Макс. электрич. мощность У-25 составляет ~20 МВт. Разработаны также автономные МГД-установки кратковрем. действия мощностью неск. десятков МВт на продуктах сгорания спец. твёрдых топлив, используемые для прогнозирования землетрясений методом периодич. глубинных зондирований земной коры, для геофиз. разведки полезных ископаемых и др.

М. г. замкнутого цикла (т. е. с внеш. подводом и отводом теплоты к рабочему телу), плазменные и (или) жидкометаллические, могут работать в энергетич. установках с газоохлаждаемым высокотемпературным . В плазменных М. г. замкнутого цикла, работающих на неравновесной плазме, благодаря снижению темп-ры упрощается ряд технологич. проблем их конструкции. Разрабатываются также МГД-установки замкнутого цикла, использующие тепло продуктов сгорания традиционных энергетич. топлив.

Исследования и разработки М. г. широко развёрнуты в СССР, США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД-установка на угле тепловой мощностью 50 МВт.

Лит.: Роза Р., Магнитогидродинамическое преобразование энергии, пер. с англ., М., 1970; Магнитогидродинамическое преобразование энергии. Открытый цикл. Совместное советско-американское издание, под ред. Б. Я. Шумяцкого, М. Петрика, М., 1979; Магнитогидродинамическое преобразование энергии. Физико-технические аспекты под ред. В. А. Кириллина, А. Е. Шейндлина, М., 1983. В. И. Ковбасюк .



top