Магнитогидродинамические генераторы

 

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Полоцкий государственный университет»

 

Кафедра ХТТ и УМ

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Основы энергосбережения»

 

«Магнитогидродинамические генераторы»

Вариант № 15

 

Студент заочного отделения

5-го курса ФЭФ

группа У10БКз-4

Зайцев Николай Сергеевич

У10250108115

 

 

 

Рецензент _____________

Подпись рецензента ___________

Отметка о зачете _____________

Дата приема ________________

 

 

 

 

 

Новополоцк, 2012

СОДЕРЖАНИЕ.

 

Введение……………………………………………………….……………2

История изобретения…………………...…………………........................3

Устройство…………………………………………………………………5

Классификация……………………………………………..………………8

Достоинства и недостатки. Практическое использование……………..11

Заключение……………………………………………………………….14

Использованная литература…………………………………………….16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

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.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 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.