9.1. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

Создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, является одной из главных задач современной энергетики. Возможности практической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с развитием атомной физики, физики плазмы, металлургии и ряда других областей.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов.

Закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем, имеет важное значение для электроэнергетики. Согласно этому закону в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС.

Еще Кельвин показал, что движение в устье реки соленой воды в магнитном поле Земли вызывает появление ЭДС. Схема такого МГД-генератора Кельвина показана на рис/ 9.1. В соответствии с законом электромагнитной индукции сила тока в проводниках 1, присоединенных к пластинам 2, опущенным в воду вдоль берегов реки, пропорциональна индукции магнитного поля Земли и скорости течения соленой морской воды в реке. При изменении направления течения воды в реке изменялось также и направление электрического тока в проводниках между пластинами.

Принципиальная схема действия современного МГД-генератора (рис. 9.1) мало отличается от приведенной на рис. 9.2. В рассматриваемой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающего кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и во внешней цепи. Поток ионизированного газа – плазмы – тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока. Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара и газа.

Если какой-либо газ нагреть до температуры ( 300 С), превратив его в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Основные направления возможного промышленного применения МГД-генераторов:

1) ТЭС с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); эти установки наиболее просты по своему принципу и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;

Рис. 9.1. Принципиальная схема МГД-генератора

Рис. 9.2. Схема работы МГД-генератора

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 К;

3) циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые весьма перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности, однако существующие на 1972 проработки этих циклов не позволяют судить определенно об их использовании в промышленной энергетике.

МГД-генератор с паросиловой установкой

Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 9.3. В камере сгорания сжигается органическое топливо, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширяющий канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000 С, а в камере сгорания  2500  2800 С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД-генератор, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах 2000 С, что у них практически исчезает магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем.

Теплота отработанных в МГД-генераторах газов вначале используется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000 С, а современные теплообменники могут работать только при температурах, не превышающих 800 С, поэтому при охлаждении газов часть теплоты теряется.

Трудности в создании МГД-генераторов состоят в получении материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы к материалам предъявляют высокие требования, так как они должны длительно работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500 – 2800 С).

Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500 – 2700 С может работать в вакууме или среде аргона несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных материалов. В настоящее время созданы материалы, которые могут работать длительно при температуре 2200 – 2500 С (графит, окись магния и др.), однако они не способны противостоять механическим напряжениям.

Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для МГД-генератора пока не решена. Ведутся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшой добавкой цезия при температуре 2000 С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500 С. Разработан проект МГД-генератора, работающего по замкнутому циклу, в котором гелий непрерывно циркулирует в системе.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмоткам. Во избежание сильного нагревания обмоток и потерь энергии в них сопротивление проводников должно быть по возможности наименьшим. Поэтому в качестве таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы.

Рис. 9.3. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой:

1 камера сгорания; 2  теплообменник; 3  МГД-генератор; 4  обмотка электромагнита; 5  парогенератор; 6  турбина; 7  генератор; 8  конденсатор; 9  насос

.

МГД-генераторы с ядерными реакторами

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используемыми для нагреваний газов и их термической ионизации. Предлагаемая схема такой установки показана на рис. 9.4.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором состоят в том, что современные тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые о кисью магния, допускают температуру, не намного превышающую 600 С, в то время как для ионизации газов необходима температура, равная примерно 2000 С.

Первые опытные конструкции МГД-генераторов имеют пока высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, что позволит успешно использовать МГД-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, т.е. в режимах относительно непродолжительной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения и МГД-генераторы могут использоваться и без паросиловой пристройки.

Рис. 9.4. Проект МГД-генератора с ядерным реактором: 1  ядерный реактор;