6. Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).

МГД-генератор - энергетическое устройство, в котором энергия рабочего тела (жидкой или газообразной среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется непосредственно (напрямую) в электрическую энергию.

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД- генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Но, в отличие от машинных генераторов , в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперек магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей разноименных зарядов. Рабочим телом МГД - генератора могут служить следующие среды:

а)электролиты, б)жидкие металлы, в) плазма.

В настоящее время в качестве рабочего тела применяют плазму, в которой носителями зарядов являются свободные электроны и положительно заряженные ионы, отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля.

Согласно закона Фарадея, в проводнике, движущемся в магнитном поле, индуцируется ЭДС.

(12- 5)

При этом проводник может быть твердым, жидким или газообразным. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими средами, называется магнитогидродинамикой.

МГД – генератор(рис.154) состоит из канала, по которому движется рабочее тело, системы электромагнитов для создания магнитного поля и электродов, отводящих полученную энергию. 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.

Рис.154 Схема работы МГД-генератора

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (~3000⁰С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электропроводящее вещество (плазму), то при последующем расширении плазмы в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Между металлическими пластинами, помещенными в сильное магнитное поле, пропускается струя ионизированного газа (плазма). Скорость движения частиц – v. На электродах появляются избыточные заряды, что эквивалентно созданию на электродах ЭДС – индукции. При замыкании электродов на нагрузку по ней пойдет электрический ток. Причем, этот ток пропорционален

. (12-6)

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряженности магнитного поля, т.е. P≈jV²B². В свою очередь для газообразного рабочего тела в диапозоне температур 2000-3000С проводимостьj~ т¹¹/р, где р- давление газа. Скорость потока плазменных частиц может изменяться в широких пределах от дозвуковых до сверхзвуковых. Индукция магнитного поляB=µ µ₀Hопределяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2тл=2000гс для магнитов со сталью и 6-8тл для сверхпроводящих магнитных систем.

Теоретически, существуют три направления промышленного применения МГД-генераторов:

1. тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл). Такие установки наиболее просты. Основное достоинство МГД- генератора состоит в отсутствии в нем движущихся узлов и деталей, что позволяет существенно повысить температуру плазмы и его КПД. Если после МГД- генератора поставить еще обычный турбогенератор, то КПД такой установки удается повысить до 50-60% (рис. ).

2. термоядерные электростанции безнейтронного цикла с МГД-генератором на высокотемпературной плазме.

3. циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для энергетических установок небольшой мощности.

Рис.155 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.

В камере сгорания сжигается топливо (рис.155) (дрова, уголь, нефть и т.д.), получаемые при этом продукты в плазменном состоянии направляются в канал МГД-генератора. Сильное магнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура плазмы в канале генератора не ниже 2000⁰С, а в камере сгорания 2500-2800⁰С. При температурах в канале генератора ниже 2000⁰С сильно снижается электропроводность плазмы и магнитогидродинамический эффект практически исчезает.

Энергетические установки с МГД -генератором могут применятся, также как резервные или аварийные источники энергии, для бортовых систем питания космической техники. Несмотря на заманчивые перспективы и бурное развитие исследований в области МГД-генераторов устройства на их основе пока не нашли широкого промышленного применения.

Проблемы:

1. Материалы в канале МГД- генератора должны выдерживать температуры до 3000⁰С и агрессивные среды. При этом должны работать продолжительное время. Так, если для нужд ракетной техники такие материалы найдены, но они работают всего несколько минут, в то же время для энергетической установки материалы должны работать хотя бы несколько месяцев. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Так, например, вольфрамовая нить в электрической лампе при температуре 2500-2800⁰С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, то при нарушении вакуума из- за влияния агрессивной среды эта нить сгорает за доли секунды.

Графит и окись магния подходят по ряду параметров ( жаростойкие и химически инертные), но эти материалы очень чувствительны к механическим напряжениям (механически не прочны).

2. Для работы МГД- генераторов необходимы сильные магнитные поля, которые можно получить огромные токи по обмотке. 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. Но здесь опять большие проблемы.