МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

К одной из центральных физико-технических задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую. Возможности практической реализации такого рода преобразования энергии в широких промышленных масштабах появляются в связи с успехами в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей.

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

Для современной электроэнергетики большое значение имеет открытый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. При этом проводник может быть твердым, жидким или газообразным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамикой.

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.

Рис. 9.1. Схема магнитогидродинамического генератора

Принципиальная схема действия современного МГД-генератора (рис. 9.2) мало отличается от приведенной на рис. 3.1. 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 или газа. Преобразование энергии и происходит путем совершения работы по преодолению сил торможения.

Рис. 9.2. Схема работы МГД-генератора

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (»3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

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 расширяющийся 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-генераторы, вызывается настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 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, и, следовательно, повышения эффективности процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

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

Выходящие из канала МГД-генератора газы имеют температуру примерно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать 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). Для нужд ракетной техники созданы материалы, способные работать в таких условиях, однако они могут работать непродолжительное время — в течение минут. Продолжительность работы промышленных энергетических установок должна исчисляться, по крайней мере, месяцами.

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 нейтрального газа 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.

Трудности создания МГД-генератора с ядерным реактором состоят в том, что современные тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью 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.

В настоящее время сооружены мощные опытно-промышленные образцы МГД-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования по совершенствованию их конструкции и созданию эффективных МГД-электростанций, конкурентоспособных с обычными электростанциями.

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ