Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технологии эффективного преобразования энергии. Учебное пособие
.pdf
Рис. 3.1. Принципиальная схема термоэлемента p–n-типа:
«+» и «–» – направление потока дырок и электронов в p–n-термоэлементе
Медные пластины не влияют на термоэлектрические свойства термоэлектрогенератора (ТЭГ). ТЭГ не является эффективным устройством вследствие параллельных тепловых потоков, т. е. бóльшая часть
теплового потока от горячего к холодному концу пропускается за счет
колебаний кристаллической решетки и менее 1/5 переносится электронами, создающими ЭДС Зеебека.
Подробные исследования и эксперименты показали
, что можно построить слоеный-каскадный ТЭГ, состоящий из последовательно соединенных термоматериалов, каждый из которых работает при температуре, оптимальной для данного материала. В результате возрастает
КПД, но при этом не увеличивается температура, при которой работает
ТЭГ. Термоэлектрические материалы имеют ограничения по КПД
и диапазону рабочей температуры. Коэффициент полезного
действия
ТЭГ < 20 %.
31
В качестве источников тепла могут быть использованы: открытое
пламя, химическая или ядерная система, вырабатывающая пар или газ,
радиоактивные изотопы и непосредственное излучение делящихся ядер
в реакторе.
Перспективной областью применения контактных ТЭГ является
ядерная энергетика, особенно в области ядерных батарей. Другая область, где он может успешно конкурировать с другими преобразовате-
, – это использование отработанного тепла с относительно низким
лями
температурным потенциалом, как, например, тепла выхлопных газов
тепловых двигателей или тепла отработавших газов магнитогидродинамических преобразователей. В последнем случае полупроводниковые
контактные ТЭГ могут комбинироваться с работающими на более высоком тепловом уровне неконтактными ТЭГ, что позволит достичь максимального использования располагаемого теплоперепада.
термоЭДС, равной 172 мкВ/К в каждой ветви, и перепаде тем-
При
ператур на 300 °С каждый элемент создает напряжение 0,1 В. Следовательно, нужно иметь например, 1000 последовательно соединенных элементов, чтобы получить батарею с напряжением 100 В. Поэтому необходима гибкая связь между элементами батареи, источником тепла
и охладителем, чтобы избежать поломки в результате
термических де-
формаций.
Важным требованием для практической пригодности материала является его устойчивость к химическим воздействиям, в частности
к окислению.
3.3. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДВИЖЕНИЯ СПЛОШНОЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕЙ СРЕДЫ
В СПЛОШНОМ ПОЛЕ
3.3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕХНОЛОГИИ
Открытие Фарадеем электромагнитной индукции было подсказано еще
опытами Араго в 1824 г., но только к концу ХХ века идея была реализована
в виде электромагнитных насосов, обеспечивающих циркуляцию жидких
металлов, предназначенных для охлаждения ядерных реакторов.
Тепловая энергия в процессе преобразования энергии может играть
важную роль. Якорная зона преобразователя может непрерывно деформироваться под
действием электромагнитных сил, что усложняет рас-
пределение в ней полей и токов.
32
Рассмотрим заряд в магнитном поле. Движение заряженной частицы
в магнитном поле намного сложнее, чем в электрическом поле.
Если заряд неподвижен, то на него магнитное поле совсем не действует. Если же заряд
𝑞 движется со скоростью v, то магнитное поле
действует на него с силой, которую называют силой Лоренца. Величина
силы Лоренца определяется формулой
sin ,FqvB
q
– заряд частицы; v – ее скорость; B – индукция магнитного поля;
где
(3.1)
– угол между направлением линий магнитной индукции и направле-
нием скорости частицы. Если заряд движется параллельно линиям индукции (
= 0 или 180°), то и в этом случае на него магнитное поле не
действует. Наибольшая сила действует на частицу, когда она движется
перпендикулярно линиям индукции магнитного поля (= 90°
). Итак,
величина силы Лоренца зависит не только от численного значения скорости движения заряженной частицы, но и от ее направления. Сила Лоренца всегда перпендикулярна к направлению магнитной индукции
и направлению скорости частицы! Направление силы Лоренца, действующей на положительный заряд, определяется правилом правого винта: если поворачивать головку
винта от направления скорости к направлению магнитной
индукции, то направление движения
винта укажет направление силы Лоренца. На рис. 3.2 линии индукции перпендикулярны плоскости страницы и
направлены к нам. Вектор скорости перпендикулярен линиям индукции магнитного поля. Следовательно, сила Лоренца имеет максимальную величину
и лежит в плоскости страницы
перпендикулярно вектору скорости (и полю).
При тех же условиях на отрицательно
заряженную частицу действует сила Лоренца, имеющая противоположное
Рис. 3.2. Действие силы Ло-
ренца в однородном магнитном поле (линии магнитной
индукции направлены к нам;
они изображены точками)
направление.
Какова же будет траектория движения заряда в магнитном поле?
Проследим сначала за движением положительного заряда в однородном
33
и постоянном магнитном поле в плос-
R
кости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Так как сила Лоренца перпендикулярна вектору скорости движения, то эта сила не изменяет величины скорости, а изменяет
только ее направление. Следовательно, траектория заряда будет искривляться, причем величина скоро-
Рис. 3.3. Траектория положи-
тельных ионов и электронов
в однородном магнитном поле
сти в каждой точке этой кривой
тории будет одна и та же. Такое изменение направления скорости характеризуется нормальным (центростреми-
траек-
тельным) ускорением. Заряд в посто-
янном и однородном магнитном поле движется по окружности
(рис. 3.3). При этом центростремительная сила равна силе Лоренца:
2
(3.2)
.mvqvB
Отсюда получается выражение для радиуса окружности, по которой
движется заряд:
RqB
mv
(3.3)
.
Из этой формулы видно, что: 1) чем больше скорость частицы, тем
больше радиус окружности (магнитному полю «труднее» искривить
траекторию быстро движущейся частицы, чем медленно движущейся); 2) чем больше индукция магнитного поля, тем меньше радиус окружности, по которой движется заряд (магнитное поле большей индукции действует на заряд с большой силой); 3)
чем больше
масса частицы, тем больше радиус окружности (частицы большей
массы обладают большей инертностью, и магнитному полю «труднее» искривить их траекторию); 4) чем больше величина заряда q, тем
меньше радиус окружности (на больший заряд магнитное поле действует с большей силой).
34
Подставляя приведенное выражение для радиуса окружности, по ко-
R
Z
M
торой обращается заряд в магнитном поле, в формулу круговой частоты
вращения
v
(3.4)
,
ц
получаем
qB
(3.5)
ц
.
m
Круговую частоту вращения заряженной частицы в магнитном поле
называют циклотронной частотой. С такой частотой вращается заряженная частица в одном из ускорителей – циклотроне. Радиус вращения
частицы в магнитном поле часто называют также циклотронным радиусом, а круговую траекторию частицы – циклотронным кружком.
Как видно из формулы, циклотронная частота не
зависит от скорости частицы. Это означает, что все одинаковые частицы, имеющие разные скорости, в одном и том же магнитном поле вращаются с одинаковой частотой.
Отметим, однако, что этот вывод верен лишь до тех пор, пока скорости
частиц малы по сравнению со скоростью света (примерно 300 000 км/с).
Только в
этом случае масса частицы не зависит от ее скорости. Если же
скорость частицы сравнима со скоростью света, то масса ее зависит
от скорости движения и тогда циклотронная частота тоже будет зависеть
от скорости частиц. Мы рассмотрели, как ведет себя положительный заряд, движущийся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля.
Однако в
плазме имеются отрицательно и положительно заряженные частицы – электроны и ионы. Для ионов, имеющих массу М и заряд Ze (Z –
целое число), циклотронная частота определяется формулой
Для электронов же (масса
определяется формулой
eB
35
.
(3.6)
e
eB
.
m
и
m и заряд e ) циклотронная частота
(3.7)
e
Электроны и положительные ионы обращаются в противоположные
M
Z
M
Z
M
M
Z
стороны, так как противоположные направления имеют силы Лоренца,
действующие на положительные и отрицательные заряды. Если, как показано на рис. 3.3, ионы вращаются по часовой стрелке, то электроны
вращаются против часовой стрелки.
Так как масса ионов почти в 2000 раз больше массы электронов,
то электроны вращаются
в магнитном поле гораздо быстрее, чем ионы.
Радиусы вращения электронов и ионов также различны:
mv
для электронов
для ионов
R
ReB
.
и
e
eB
e
;
v
и
Если скорости электронов и ионов
(),
одинаковы
vv
e
то радиус враще-
и
а б
Рис. 3.4.
заряженных частиц в однород ном магнитном поле:
а – траектория иона; б – траектория
Винтовые траектории
электрона
ния ионов в
раз (т. е. почти в
m
2000 раз) больше циклотронного радиуса электронов. В состоянии термодинамического равновесия средняя
скорость теплового движения элек-
тронов в
раз больше скорости
m
ионов. В этом случае циклотронный
радиус ионов в
1
раз больше
m
циклотронного радиуса электронов
(рис. 3.4).
Не все электроны и ионы в плазме
будут двигаться в плоскостях, перпендикулярных к линиям индукции магнитного поля. Если скорость частицы
параллельна или антипараллельна
направлению силовых линий однородного магнитного поля, то сила Лоренца равна нулю и частица будет двигаться с
этой скоростью в пределах
36
поля, совершенно «не чувствуя» его. Если скорость частицы не совпадает с направлением поля, то на нее действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно и к направлению скорости, и направлению линий
индукции магнитного поля. Движение частицы становится сложным.
v
Пусть
поля (продольная скорость), а
– проекция скорости частицы на направление магнитного
11
v
– проекция скорости частицы на плос-
1
кость, перпендикулярную к направлению магнитного поля (поперечная
скорость). Так как движение частицы вдоль силовых линий на магнит-
v
ное поле не влияет, то продольная скорость частицы
не меняется ни
11
по величине, ни по направлению. Это значит, что частица вдоль сило-
v
вых линий поля движется равномерно со скоростью
v
скорость
изменяется только по направлению. Это значит, что в плос-
1
. Поперечная же
11
кости, перпендикулярной к магнитному полю, траекторией частицы является окружность. Таким образом, сложное движение частицы состоит
из равномерного движения вдоль магнитного поля и равномерного вращения по окружности перпендикулярно к магнитному полю. Поэтому
траекторией частицы является винтовая линия (рис. 3.4). Расстояние,
которое частица проходит вдоль поля за один полный оборот по винтовой линии, называется шагом винтовой линии. Шаг винтовой траектории частицы определяется так:
22
hvT v v
11 ц 11 11
ц
m
.
(3.8)
qB
Очевидно, что при одной и той же величине продольной ско-
v
рости
шаг винта электронов намного меньше шага винта ионов.
11
На основе рассматриваемой технологии было разработано несколько типов магнитогидродинамических генераторов, отличающихся
рабочим телом. Подробно принцип действия и особенности МГДГ рассмотрены в трудах следующих авторов: А. Е. Шейндлин [14], В. П. Милантьев, С. В. Темко [15], Л. А. Арцимович [16], А. И. Бертиков,
Д. А. Бут, С. Р. Мизюрин [11].
Эскиз простейшего кондукционного МГДГ со сплошными электродами показан на рис. 3.5.
На рис. 3.5 верхняя 1 и нижняя 2 стенки канала выполнены из проводящего материала, боковые стенки 3 – непроводящие. Магнитная система, состоящая из катушек 4, создает в канале поперечное магнитное
37
поле В. Если электроды 1 и 2 замкнуты на пассивную электрическую
цепь с омической нагрузкой, а рабочее тело движется в канале за счет
внешнего воздействия, то на электродах появится ЭДС. Эта ЭДС подобна той, которая возникает в электромеханическом генераторе при
движении проводника в магнитном поле. Под действием ЭДС по
нагрузке
потечет ток и канал будет работать в генераторном режиме.
Рис. 3.5. Кондукционный преобразователь
со сплошными электродами. РТ – рабочее тело
Если на электроды 1, 2 подать напряжение от внешнего источника,
то в проводящей среде, заполняющей канал, потечет ток.
3.3.2. РАЗНОВИДНОСТЬ И ХАРАКТЕРИСТИКИ
РАБОЧЕГО ТЕЛА МГДГ
В МГДГ используется движение сплошной электропроводящей
среды в сплошном поле.
В качестве электропроводящей среды используют продукты сгорания природных топлив (нефти, угля, газа), имеющих температуру
2700…3500 К. Если в них ввести небольшую добавку (0,1…1 % по
массе) щелочных металлов или их солей, имеющих низкий потенциал
поляризации, то благодаря термической ионизации они приобретают
электропроводность.
Эта низкотемпературная плазма используется
после разгона в обычном сопле Ловаля.
38
Кроме продуктов сгорания природных топлив, в качестве рабочего
тела в МГДГ применяют жидкие металлы и электролиты, инертные газы
с присадками щелочных металлов или их солей, а также пары щелочных
металлов.
3.3.3. РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ
НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В МГДГ
Рассмотрим МГДГ, работающий на продуктах сгорания природных
топлив. Такой МГДГ работает в открытом цикле (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Простейшая МГД-энергоустановка
В камеру сгорания КС подается топливо Т со щелочной добавкой Д
и окислитель О. Продукты сгорания поступают в сопло С, ускоряются
до больших скоростей (v = 1000…2000 м/с), проходят канал МГДГ
и затем выбрасываются в окружающую среду. Температура продуктов
сгорания (ПС) на выходе МГДГ должна быть не ниже 2000 К, поскольку
при меньших
Таким образом, выбрасываемые газы уносят значительную неиспользованную энергию и КПД цикла составляет всего 10…20 %. Поэтому такая схема может быть использована в качестве кратковременно
работающего источника электроэнергии.
Более эффективно преобразование энергии осуществляется в двухступенчатом (бинарном) цикле (рис. 3.7). Выходящие из МГДГ газы поступают во вторую
бинная схема.
Газы проходят через котел, в котором вода превращается в перегретый пар, пар поступает в турбину Т, обеспечивая ее вращение, затем
температурах они теряют проводимость.
ступень цикла, которой является обычная паротур-
39
конденсируется в холодильнике Х и насосом Н опять подается в котел.
Коэффициент полезного действия бинарного цикла может достигать
50…60 %, что существенно превышает КПД современных тепловых
электростанций, составляющий примерно 40 %.
Д
Т
О
Д
ПС
КС
По указанному циклу приняты основные решения для Рязанской
магнитогидродинамической электростанции (МГДЭС), которая строилась в 1980 годах. Следует отметить, что МГДГ этой электростанции
так и не был введен в эксплуатацию.
3.3.4. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МГД-УСТАНОВОК
На рис. 3.8 показаны схемы МГДУ, различающиеся способами использования теплоты выхлопных газов МГДГ.
Схема а соответствует современному технологическому уровню.
В ней практически вся теплота, отводимая от выхлопных газов, передается в цикл паровой турбины.
На схеме б, более сложной, но и более экономичной, часть теплоты
продуктов сгорания используется для подогрева окислителя
сложной и экономичной является третья схема в, в которой теплота
выхлопных газов расходуется не только на получение пара и нагрев
С
Рис. 3.7. Бинарный цикл с МГДГ
МГДГ
Г
Турб.
. Наиболее
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]