книги из ГПНТБ / Бальчитис А.А. Емкостная подобласть индукционных процессов преобразования потоков энергии

Сравнивая формулу Эйнштейна с формулой Планка, де Бройль пред­ ложил, что со всякой материальной частицей массы т связана волна, частота которой определяется равенством

Таким образом, общая теория относительности и квантовая теория ока­ зались связанными фундаментальным соотношением

скрывающие от нас внутреннюю структуру вещества. В настоящее время „Смысл этой «троицы» все еще находится в глубокой тайне"1 .

Согласно обобщенным представлениям, используемым в настоящей ра­ боте, со всякой материальной частицей массы т связывается обобщенное силовое поле, создаваемое обобщенным зарядом

1 Л . Бриллюэн . Новый взгляд на теорию относительности. М., „Мир", 1972, стр. 56.

210

ГЛАВА 6

ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОГАЗОДИНАМИЧЕСКОГО ИНДУКЦИ­ ОННОГО {ЭГазДИ) МЕТОДА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОТОКОВ ЭНЕРГИИ

образователе используется сжимаемый газ, то в электрическую энергию пре­ образовывается не только часть кинетической энергии, которой обладает газ на входе преобразователя, но и часть внутренней его энергии. Необходимые скорости рабочего тела — газа и необходимая энергия струи в ЭГазДИ-ге- нераторе достигаются с помощью сопла.

Возможно самовозбуждение ЭГазДИ-генераторов. Д а ж е при отсутствии нелинейной магнитной цепи вольтамперная характеристика ЭГазДИ-ге- нераторов будет нелинейной из-за нелинейной проводимости рабочего тела — газа.

Д л я самовозбуждения ЭГазДИ-генератора с бегущим электрическим полем необходимо использовать индуктивности возбуждения, или же нагруз­ ка должна иметь индуктивный характер. При этом процесс самовозбужде­ ния будет протекать аналогично процессу самовозбуждения МГД-генератора с бегущим магнитным полем (см., например, [171]), для возбуждения которого используются конденсаторы возбуждения.

К ЭГазДИ-методу. генерирования электроэнергии возможны два под­ хода: первый связан с использованием открытого цикла с непосредственной подачей рабочего тела — продуктов сгорания в канал ЭГазДИ-генератора, второй — с использованием замкнутого цикла и произвольного слабопроводящего рабочего тела —газа.

По характеру рабочего процесса ЭГазДИ-генератор может быть построен по активному и реактивному принципу.

В преобразователе, построенном по активному принципу, должно пре­ дусматриваться полное расширение рабочего тела до входа в рабочую зону.

211

При этом вся получаемая работа превращается в кинетическую энергию

Поэтому при у = c o n s t число Маха М также должно быть постоянным.

ВМГД-преобразователях электропроводность рабочего тела — газа увели­ чивается введением ионизирующих присадок — паров вещества с малым потенциалом ионизации, например, паров щелочных металлов. При этом значительно повышается степень ионизации газа и соответственно его электро­ проводность.

ВЭГазДИ-генераторе необходимо решить обратную задачу — стремиться уменьшить электропроводность рабочего тела. Резкое снижение электропро­ водности газа может быть достигнуто введением присадки — паров вещества,

В качестве рабочего тела в ЭГазДИ-генераторе, работающем по замкну­ тому циклу, выгодно использовать инертный газ, отличающийся малой хи­ мической активностью по отношению к материалам стенок канала и электро­ дов. Кроме того, инертные газы имеют полностью заполненные электронные оболочки, а это обеспечивает незначительную их ионизацию при невысоких температурах и, соответственно, — низкую электропроводность.

Современные тенденции ядерной энергетики перейти на замкнутые газо­ вые циклы делают перспективным использование ЭГазДИ-генераторов в этой области.

212

к точке и являются функциями х. Таким образом, и генерируемый ток, и про­

может влиять на электропроводность стационарного газа и пробивную проч­ ность.

Впоследние годы проводились обширные исследования поведения заря­ женных частиц плазмы, движущейся в электрических и магнитных полях. Однако в этих работах почти не рассматривалось поведение заряженных час­ тиц слабопроводящих неионизированных газов, движущихся в поперечных постоянных и переменных электрических полях, т.е. в условиях, которые наблюдаются в рассматриваемых ЭГазДИ-преобразователях. Индуцирован­ ные при этом токи и магнитные поля оказывают влияние на движущиеся заряженные частицы и на протекание процессов преобразования потоков энергии.

Впеременных электрических полях, используемых в ЭГазДИ-преобра­ зователях, ионизация газа во многом отличается от ионизации в постоянных полях. Поскольку электрическое поле меняет свое направление, то заряды могут не выйти из объема на электроды. Потери заряженных частиц будут

уменьшаться, вызывая рост ионизации газов, проводимость — увеличится. Эти нежелательные эффекты, однако, проявляются в меньшей степени в кана­ ле ЭГазДИ-генератора в случае движения газа с большой скоростью.

Процессы преобразования потоков энергии в канале ЭГазДИ-преобразо­ вателя описываются уравнениями, математически аналогичными уравнениям теории однофазных индукционных МГД-преобразователей с газообразным рабочим телом, что значительно облегчает исследование процессов в ЭГазДИпреобразователях. Однако в отличие от проводящих рабочих тел— ионизиро­ ванных газов, используемых в МГД-преобразователях, в которых электри­ ческие поля порождают электрические токи, но не могут разделить заряды и, следовательно, вызвать появление объемных сил электрического индук­ ционного взаимодействия (1.50), слабопроводящие рабочие тела — неионизированные газы, используемые в ЭГазДИ-преобразователях, характеризу­ ются не только средней длиной свободного пробега, но и дебаевской длиной — расстоянием, на которое могут разойтись в газе положительные и отрица­ тельные заряды. Следовательно, точные уравнения сохранения должны быть применены д л я каждого вида частиц. В настоящей работе используются упрощенные обобщенные уравнения сохранения (глава 5): газ рассматрива-

213

ется как слабопроводящая континуальная среда, транспортные и иные свойс­

рованный) газ, т.е. используется сжимаемая среда, что позволяет при иссле­ довании процессов преобразования потоков энергии использовать закономер­ ности термодинамики.

гут работать либо по циклу Ренкина, если рабочее тело конденсируется в не­ которой точке цикла, либо по циклу Брайтона, если рабочее тело во всех точ­ ках цикла газообразное. Однако при упрощенном рассмотрении можно не касаться вопросов выбора оптимальных термодинамических циклов, предпо­ лагая, что термодинамический цикл задан и обеспечивает в канале необхо­

214

появление вихревого электрического поля ( у х £ ) , напряженность которого определяется по закону Ома

ставляющая) . Величина объемной силы электрического индукционного вза­

Это движение направлено против уравновешивающей силы D х 8<£>. Объемная

энергии относятся ограничения, определяемые электрическим пробоем и подвижностью увлекаемых рабочим телом носителей электрических заря­ дов. Поток газа увлекает заряженные частицы за счет их столкновений с моле­ кулами. В то же время на движущиеся заряженные частицы оказывают влия­ ние электрические и магнитные поля. В результате скорость заряженных час­ тиц отличается от скорости газа.

215

6.2. Электропроводность газа

Д л я определения проводимости газа, согласно (6.2), необходимо знать концентрацию пе и подвижность электронов у.е.

Концентрация электронов пе зависит от степени ионизации а

где па и И; — соответственно концентрация атомов и ионов.

В условиях термодинамического равновесия степень термической иони­ зации обычно определяется согласно статистической механике из уравнения Саха [172]. Однако в канале ЭГазДИ-преобразователя существуют сильные переменные электрические поля, и температура электронов больше темпе­ ратуры ионов и нейтральных частиц. В этом случае использование уравнения Саха дает весьма неточные результаты или вообще неприемлемо. Дивеэн [173] д л я неравновесного стационарного распределения частиц по энергиям предложил использовать не распределение Максвелла, а распределение Маргенау [174] и не обычное уравнение Саха, а более общее выражение, свя­ зывающее плотность ионов и распределения частиц по энергиям, которое переходит в уравнение Саха в пределе термодинамического равновесия:

где £; — потенциал ионизации;

к— постоянная Больцмана;

г- ( . + ! ) г.

Т— температура;

со — частота электрического поля;

216

Необходимо, однако, заметить, что экспериментальные данные и более точный теоретический анализ показывают, что величина подвижности электро­

нарастают почти линейно с увеличением Ер'1 [175,177,178]. Поэтому для элек-

2 1 8

колебательное движение со скоростью г>ц (t). Кроме того, эти частицы сталки­ ваются с молекулами газового потока и увлекаются с постоянной скоростью vL в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля D. Но для выясне­ ния общих закономерностей сначала целесообразно рассмотреть менее слож­

219