12.4. Цикл магнітогідродинамічних (мгд) генераторних установок

Протягом останніх 100 років було створено багато енергетичних установок, які грунтуються на взаємодії електричного і магнітного поля з рухомими електричними зарядами. Метод прямого перетворення енергії робочим тілом, в якому є нагрітий йонізований газ, може забезпечити порівняно високий ККД, а тому викликає велику зацікавленість як альтернатива паротурбінним установкам для одержання електричної енергії. Такою установкою є магнітогідродинамічний генератор (МГД-генератор). Такі генератори є пристосуваннями без машинного перетворення теплоти в електричну енергію. На відміну від звичайних турбогенераторів в МГД-генераторах відсутні рухомі частини. Принцип дії МГД-генератора полягає в тому, що газ, який є робочим тілом, разом з невеликою кількістю добавок, які легко йонізуються (лужні метали -калій або цезій), нагрівається за рахунок підводення теплоти від гарячого джерела до таких високих температур, за яких гази частково йонізуються, тобто переходять в плазмовий стан. Нагадаємо, що в процесі йонізації здійснюється утворення йонів і електронів, які обумовлюють протікання електричного струму. Газ в стані плазми в соплі 1 (рис. 12.7) розширюється, набирає великої швидкості (1000 м/с) і надходить в канал 2 МГД генератора, який поступово розширюється.

Канал (дифузор) МГД-генератора знаходиться в магнітному полі, силові лінії якого перпендикулярні до осі каналу. Як відомо з електродинаміки, при перетині провідником силових ліній магнітного поля в провіднику виникає електрорушійна сила (ЕРС). Оскільки частково йонізований газ є середовищем, здатним пропускати струм при русі цього газу, в ньому виникає ЕДС і електричний струм. Цей струм протікає в напрямку, перпендикулярному до площині, яка проходить через вектори швидкості газу і індукції магнітного поля. Таким чином, в робочому об’ємі генератора генерується електроенергія, яка відводиться з електродів 3, що підключені до споживача електроенергії. Якщо в турбогенераторі в електроенергію перетворюється кінетична енергія ротора турбіни, то в МГД-генераторі в електроенергію перетворюється енергія потоку плазми.

Перевагою МГД-генератора є те, що він дає змогу ефективніше порівняно з газотурбінними і паротурбінними установками використовувати теплоту високого температурного рівня, яка виділяється при спалюванні хімічного чи ядерного палива. Температура газу на вході в МГД-генератор при використанні органічного пального може досягнути 25002600 ^оС порівняно з максимальною температурою 650 ^оС в парових і 700800 ^оС в газових турбінах. Таким чином, верхня температура робочого тіла в МГД-генераторі відповідає температурі гарячого джерела теплоти, завдяки чому різко зменшуються втрати, які обумовлені необоротністю передачі теплоти від гарячого джерела теплоти до робочого тіла і значно підвищується термічний ККД. Схема МГД-установки, яка працює за відкритим циклом і її цикл показані на рис. 12.8 і 12.9.

Згідно з цією схемою повітря, необхідне для згорання пального, адіабатно стискається компресором 1 до тиску р₁, після чого подається в камеру 2, в яку подається пальне. Процес горіння здійснюється за тиску р₁.

Рис. 12.7. Схема сопла Лаваля Рис. 12.8. Принципова схема Рис. 12.9. Діаграма T-s

установки з МГД-генератором з МГД-генератором

Гарячі продукти згоряння палива з камери 2 подаються в МГД-генератор 3. Перед МГД-генератором вводяться йонізуючі добавки. В МГД-генераторі йонізовані продукти згорання адіабатно розширюються від стану з параметрами р₁ і Т₁ на вході до стану з параметрами р₂ і Т₂ на виході, здійснюючи при цьому технічну роботу (виробництво електроенергії). Продукти згоряння, які виходять з МГД-генератора з досить високою температурою 2000 ^оС надходять в регенеративний теплообмінник 4, де вони охолоджуються, підігріваючи повітря, яке подається в камеру згорання. Продукти згорання, які виходять з теплообмінника 4, мають ще досить високу температуру. З метою рекуперації цієї теплоти використовується другий (нижній) теплосиловий цикл - пароводяний. Після підігрівача 4 продукти згоряння подають в парогенератор 5, де віддають свою теплоту воді, яка циркулює в пароводяному контурі. Отримана в парогенераторі 5 пара надходить в парову турбіну 6, де, розширюючись, здійснює роботу. Відтак пара конденсується в конденсаторі 7, звідки насосом 8 отримана вода знову направляється в парогенератор 5 і цикл повторюється. Продукти згоряння з температурою приблизно 150 ^оС викидаються в атмосферу. Розглянута схема являє собою по суті різновидність бінарної теплосилової установки. На рис. 12.9 показаний цикл МГД-установки в T-s діаграмі. Згідно з діаграмою 1-2-3-4-5-6-7-1 - процеси, що здійснюються в МГД-циклі, а I-II-III-IV-V-I – процеси пароводяного циклу. Процеси 1-2 - це одноступеневе стиснення в компресорі від тиску р₂ до тиску р₁; 2-3-4 - ізобара підведення теплоти в циклі p₁ = const в камері згорання; 4-5 - адіабатний процес розширення з виробництвом роботи в МГД-генераторі; 5-6-7-1 - ізобарний (p₂ = const) процес відведення теплоти в циклі; 5-6 - віддача теплоти в регенеративному теплообміннику повітрю; 6-7 - віддача теплоти воді в парогенераторі; 7-1 - відведення теплоти до холодного джерела теплоти, якими є продукти згоряння, що викидаються в атмосферу.

В пароводяному циклі I-II - адіабатне розширення пари з віддачею теплоти в турбіні; II-III - ізобарний (p_II = const) процес відведення теплоти в конденсаторі; III-IV-V-I - ізобарний (p_I = const) процес підведення теплоти в парогенераторі. Зауважимо, що пароводяний цикл побудований для 1 кг води в той час як МГД-цикл - для m кг робочого тіла. Кратність витрат робочого тіла в МГД-контурі по відношенню до витрат вода визначається в такий спосіб. На нагрівання робочого тіла пароводяного контуру витрачається теплота, яка відводиться на ділянці 6-7 ізобари p₂ = const, верхнього ступеня циклу.

Отже

, (12.29)

де m- відношення витрат робочого тіла у МГД-циклі до витрат води в пароводяному циклі.

Звідки

, (12.30)

де η_т.п. – ККД парогенератора.

Термічний ККД цього циклу визначається співвідношенням аналогічним бінарному циклу

, (12.31)

де l^МГД і l^в - робота, яка здійснюється відповідно в МГД-циклі і паротурбінному циклі; q₁ - теплота, яка підводиться до 1 кг робочого тіла в МГД-циклі.

Робота, яка здійснюється в МГД-генераторі визначиться за різницею ентальпії робочого тіла, тобто

. (12.32)

Відповідно до циклу, показаному на рис. 12.9, рівняння (12.31) запишеться в такому вигляді:

.

Зауважимо, що у відкритому циклі, де робочим тілом є повітря, за температур 25002600 ^оС внаслідок інтенсивної дисоціації продуктів горіння теплоємність газу не буде величиною постійною, і в ізобарному процесі нагрівання в камері горіння МГД-установки Ср  const, а тому розрахунки, які грунтуються на умові, що Ср = const, можуть дати не досить точні результати. Тому точнішими будуть розрахунки для закритих систем, в яких використовуються інертні гази (аргон, гелій), які знаходяться в атомарному стані, а тому їх можна вважати ідеальними. Установки з замкнутим циклом нами не розглядаються.

Розрахунки показують, що термічний ККД може досягти значення , а загальний ефективний ККД комбінованої установки , що на 1015 % перевищує ККД кращих газотурбінних та паротурбінних установок.

Отже, досить висока температура в процесі підведення теплоти в МГД-циклі забезпечує отримання високих значень ККД таких установок.

МГД-перетворення, в принципі, може стати не тільки в один ряд з традиційними системами виробництва електроенергії, але і перевершити їх у значенні зменшення забруднення довкілля і економії органічного пального.