Мгд генератор своими руками

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии [1]. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования: “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования: магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Магнитогидродинамический эффект [2] — возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства — магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей [3] пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” [4].
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу [5, 6, 7], мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

Преимущества МГД–генераторов

* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
* В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
* Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами – в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
* Большой успех в технической отработке использования МГД – генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД – ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины – 65%
* Высокая маневренность

Недостатки МГД–генераторов

* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
* Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
* Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов – общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
* Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
* На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов:
1. Магнит;
2. Соль;
3. Перец;
4. Батарейка;
5. Медные провода.

Ход работы:
1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Объяснение: Раствор соли является проводником электрического тока – электролит. Электролит будет двигаться в магнитном поле, под действием силы Лоренца. В этом и заключается МГД–эффект.

Используя явление МГД–эффекта, была изготовлена лодка на МГД–приводе [8]. Используемые материалы представлены на фото 2, готовая лодка на фото 3 и 4.

Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!

МГД-генератор своими руками

Напомним вкратце назначение и принцип действия магнитогидродинамического или МГД-генератора. Это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую.

Для создания магнитного поля в модели используются десять школьных подковообразных магнитов, сложенных одноименными полюсами вплотную друг к другу. В средней части магниты скреплены двумя алюминиевыми пластинками. Пластинки соединены в трех местах (по краям и посередине) болтами и гайками. Ширина пластин 5 см, толщина 1—2 мм. Концы пластин загнуты под прямым углом — так будет удобнее закрепить их в лапках школьных лабораторных штативов.

В качестве электродов используются две медные пластины длиной примерно 30 см, шириной 2 см и толщиной 2 мм. Верхние концы этих пластин также загнуты под прямым углом и закреплены в лапках штативов. К клеммам, установленным на электродах, подсоединен школьный демонстрационный гальванометр.

Источником плазмы служит обычная газовая горелка или бензиновая горелка Бартеля, дающая вертикальное пламя.
При подготовке к демонстрации установите электроды в промежутке между полюсами магнитов на расстоянии 1—2 мм друг от друга — так, чтобы силовые линии магнитного поля были параллельны плоскостям электродов. Горелку разогрейте до получения высокотемпературного пламени и подставьте под воздушный промежуток между электродами. Стрелка прибора начнет медленно отклоняться от нулевого положения, регистрируя силу тока приблизительно 0,15 мА. Эффект будет тем сильнее, чем сильнее магнитное поле.

Как объяснить в этом случае возникновение ЭДС? Дело в том,что пламя горелки представляет собой низкотемпературную плазму, состоящую из положительных и отрицательных ионов воздуха и продуктов сгорания газа (или бензина). Ионы двигаются вертикально вверх, перпендикулярно силовым линиям. В магнитном поле на каждый ион действует сила Лоренца, отклоняющая ион к электроду. Направление действия силы можно определить по правилу левой руки. В результате положительные ионы оседают на одном электроде (он становится катодом), а отрицательные на другом (аноде). Поскольку электроды приобретают разноименный заряд, между ними возникает ЭДС.

Можно варьировать не только величину магнитного поля. Введение в плазму различных солевых или щелочных добавок также способно значительно увеличить ЭДС. А может быть, ребята, у вас возникнут свои собственные оригинальные идеи в связи с этой моделью.

МГД-генератор. Магнитогидродинамические генераторы.

Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы)

Больше других разработан метод магнитогидродинамического превращения теплоты в электрическую энергию, который можно использовать в крупной стационарной энергетике. В принципе этот метод основан на известном явлении, заключающемся в том, что при пересечении проводником магнитных силовых линий в нем наводится электродвижущая сила. Сильно ионизированный газ при достаточно большой электропроводности его и высокой температуре обладает таким же свойством, которое и используется в магнитогидродинамическом (МГД) методе превращения теплоты в электрическую энергию.

Рис. 1. Сравнение турбогенератора и МГД-генератора

- В турбогенераторе внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию пропеллера (ротора), а затем кинетическая энергия движущегося твердого проводника - в электрическую энергию

- В МГД генераторе движущейся газ сам является проводником. В результате внутренняя энергия электропроводного газа преобразуется в электрическую энергию.

- Движение проводников поперек магнитного поля приводит в обоих случаях к возникновению ЭДС и тока в соответствии с законом индукции Фарадея

Рис. 2. Принцип действия МГД-генератора: 1 обмотка электромагнита; 2 — камера сгорания; 3 присадка; 4 — воздух; 5 — топливо; 6 — сопло; 7 — электроды с последовательно включенной нагрузкой; 8 — выход продуктов сгорания.

В качестве рабочего тела в МГД-генераторе могут быть использованы, например, продукты сгорания топлива. Но поскольку они и при высоких температурах не обладают достаточной электрической проводимостью, ее приходится увеличивать или, другими словами, повышать степень ионизации газов присадкой к ним небольшого количества (~1%) щелочных металлов (калия, цезия и др.). Наилучшие результаты можно получить при применении плазмы, являющейся нейтральной смесью ионов, электронов и нейтральных частиц (квазинейтральной средой) при очень высоких температурах.

На принципиальной схеме МГД-генератора (рис. 3) топливо -горючий газ (но может быть и любое другое) подается под давлением по газопроводу в топочную камеру 1, работающую под давлением.

Рис. 3. Принципиальная схема МГД-генератора

Одновременно в топочную камеру подается присадка (цезий) для повышения степени ионизации продуктов сгорания. Ионизацию газа можно обеспечить и при помощи внешнего высокочастотного источника мощности. Но в этом случае энергия, расходуемая на высокочастотный источник, снижает общий КПД установки. Нужный для сгорания топлива воздух поступает в установку 12, где в нем повышают содержание кислорода. Обогащенный воздух проходит в компрессор 11 и направляется в воздухоподогреватель 6, из которого по воздухопроводу 5 поступает в топочную камеру 1. Рост в воздухе содержания кислорода и его нагрев до высокой температуры перед топочной камерой повышают температуру продуктов сгорания, покидающих камеру 1.

Высокотемпературные ионизированные продукты сгорания движутся с большой скоростью по каналу 4. В поперечном направлении к движению газов электромагнитом 3 создается мощное магнитное поле. При пересечении ионизированными газами магнитного поля в них возникает электродвижущая сила, а на электродах 2 - соответствующая разность электрических потенциалов. Часть электрической энергии расходуется электромагнитом на возбуждение магнитного поля, а другая часть ее, полученная в МГД-генераторе, поступает в преобразователь 10 постоянного тока на переменный. Температура газов после МГД-генератора очень высока (более 2000 °С), поэтому их теплоту целесообразно использовать в обычной теплосиловой установке, как это показано на рис. 3.

Продукты сгорания после МГД-генератора и частичного охлаждения в воздухоподогревателе 6 направляются в котельный агрегат, состоящий из экономайзерно-испарительной поверхности нагрева 5 и пароперегревателя 7, а затем охлажденные продукты сгорания удаляют в атмосферу через дымовую трубу 9.

Перегретый пар после котельного агрегата 7-8 направляется в паровую турбину 13, после расширения в которой поступает в охлаждаемый водой конденсатор 14. Конденсат из конденсатора 14 насосом 15 снова закачивается в котельный агрегат. Турбина 13 приводит в действие компрессор, служащий для сжатия до необходимого давления обогащенного воздуха, и электрический генератор 16 переменного тока, работающий параллельно с преобразователем 10, и суммарная электрическая энергия, вырабатываемая МГД-генератором и нормальным электрическим генератором, направляется к ее потребителям.

Эффективность МГД-генератора зависит от интенсивности магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Стоимость электромагнита высока и он расходует большое количество электрической энергии.

Присутствие в горячих продуктах сгорания топлива активных присадок (цезия) вызывает коррозию электродов и обмуровки газоходов и нужны коррозионностойкие материалы для МГД-генераторов. Совместная установка МГД-генератора и нормальной теплоэнергетической установки (рис. 4) повысит суммарный коэффициент использования теплоты топлива минимум на 10%.

Рис. 4. Схема энергетической установки с МГД-генератором

Рис. 5. Процессы, происходящие при работе МГД-генератора

Рис. 7. Устройство МГД-генератора

Рис. 8. Изменение мощности МГД-генератора (по зарубежным данным)

Исследовательская работа,включающая в себя теоретическую и экспериментальную деятельность.Содержит в себе реферат,презентацию и видео.

Вложение	Размер
реферат	158.91 КБ
презентация	1.68 МБ
эксперимент	1.05 МБ

Предварительный просмотр:

“Моделирование МГД – генератора”

Трухачева Любовь Станиславовна

МБОУ СОШ №11 9В класс

Балакишиева Алла Викторовна

учитель I квалификационной категории.

Энергетические ресурсы Земли практически неисчерпаемы, их хватит на многие тысячи лет, так как люди для своих нужд потребляют различные виды энергии: ядерную, химическую, тепловую, механическую. Но самой удобной для удовлетворения потребностей человека является электрическая энергия. Чтобы добыть ее используют энергию рек, Солнца, ветра и т. д. В зависимости от источника строят различные типы электростанций.

Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии.

Нужны были какие-то новые идеи, и ученые нашли их. Это принципиально новый магнитогидродинамический способ получения электрической энергии, суть которого заключается в том, что тепловая энергия непосредственно преобразуется в электрическую энергию.

Это и стало темой исследования : “ Магнитогидродинамический способ получения электрической энергии”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта.

Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле.

Предмет исследования : магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи :

Провести исследование научной литературы.
Выявить физические законы, принципы, которые объясняют магнитогидродинамический эффект.
Изучить практическое применение МГД реактора.
Изготовить модель демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.

Эффект заключается в том, что жидкость, через которую пропускают ток, в магнитном поле приходит в движение. Направление и сила этого движения определяются законами Ампера.

Магнитогидродинамический генератор, МГД -генератор — энергетическая установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле , преобразуется непосредственно в электрическую энергию .

В МГД -генераторе происходит прямое преобразование механический энергии движущейся среды в электрическую энергию. Движение таких сред описывается магнитной гидродинамикой, что и дало наименование устройству.

Майкл Фарадей в 1832 году пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС [1] , индуцированную приливными волнами в Ла-Манше , однако отсутствие необходимых знаний по электрофизическим свойствам жидкостей и газов долго тормозило использование описанных эффектов на практике.

В последующие годы исследования развивались по двум основным направлениям: использование эффекта индуцирования ЭДС для измерения скорости движущейся электропроводной среды (например, в расходомерах) и генерирование электрической энергии.

Хотя первые патенты на МГД -преобразования энергии были выданы ещё в самом начале XX века , описанные в них конструкции были на практике нереализуемы.

Первый экспериментальный МГД-генератор мощностью всего в 11,5 кВт был построен в 1959 г. в США. В 1965 г. в СССР был исследован первый советский МГД-генератор, а в 1971 г. состоялся пуск опытно-промышленной установки — своеобразной электростанции с МГД-генератором мощностью 25 МВт.

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

Схема плазменного МГД-генератора: 1 — генератор плазмы; г — сопло; 3 — МГД-канал; 4 — электроды с последовательно включённой нагрузкой; 5 — магнитная система, создающая тормозящее магнитное поле; Rн — нагрузка.

Когда электропроводящая жидкость, в частности жидкий металл, течет в магнитном поле и при этом имеется компонента скорости, перпендикулярная вектору магнитной индукции, в жидкости возникает электрическое поле, и текут электрические токи. Эти токи взаимодействуют с магнитным полем. Во-первых, возникает механическая объемная сила электромагнитного происхождения (сила Лоренца), которая, добавляясь к другим силам, действующим в жидкости, видоизменяет характер течения. Во-вторых, собственное магнитное поле токов накладывается на исходное внешнее поле, или ослабляя, или усиливая его. Характер МГД-явлений в жидких металлах и электролитах определяется, прежде всего, несжимаемостью среды. Среда эта является хорошим проводником, но характерные размеры течений невелики, вследствие чего поля, возбуждаемые токами, малы или того же порядка, что и приложенное поле.

МГД-генератор предназначен непосредственно преобразовывать тепловую энергию в электрическую, т.е. без использования тепломеханического оборудования. Для реализации такого способа необходимо иметь рабочее тело в виде плазмы. Однако плазменное состояние, например, продуктов сгорания, наступает при очень высокой температуре. Поэтому предполагалось вводить в продукты сгорания ионизирующую добавку –K 2 SO 4 . При реализации такого технического решения встретились большие трудности из-за высокой температуры рабочего тела.

Пусть имеется поток свободных заряженных частиц (электронов, ионов).

Если этот поток попадёт в область магнитного поля перпендикулярно силовым линиям, то на каждую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца. Положительно заряженные частицы будут отклоняться в одну сторону, отрицательно заряженные – в противоположную. Если в нужных местах разместить два электрода, то на них будут скапливаться разноимённые заряды и возникнет ЭДС; а в проводнике, соединяющем электроды, пойдёт электрический ток. Получим источник электричества, в котором нет никаких движущихся, вращающихся механических частей, в отличие от других известных генераторов электрической энергии.

Принцип работы МГД -генератора основан на явлении электромагнитной индукции , то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля . В МГД -генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Если в обычных электрогенераторах электрический ток получается в результате движения в магнитном поле твердых проводников, то в МГД-генераторе роль движущего проводника играет протекающий с большой скоростью (около 1000м/с) ионизированный газ или электропроводная жидкость. В МГД-генераторе нет никаких движущихся частей, поэтому этот метод называют также методом безмашинного преобразования тепла в электричество. Он позволит повысить КПД электростанций на 10-15%, а каждый процент-это экономия миллионов тонн топлива.

Рабочим телом МГД -генератора могут служить следующие среды:

Электролиты
Жидкие металлы
Плазма (ионизированный газ)

Силы действующие в жидкости при МГД-течении:

Движение, сила инерции
Электромагнитная сила

При движении потока газа в поперечном магнитном поле в газе индуцируется электрическое поле с напряженностью

где V – скорость потока; B – индукция внешнего магнитного поля.

Удельная электрическая мощность, отнесенная к единице объема МГД-канала, равна

N v = σ . V 2. B 2. s . (1-s) ,

где σ – проводимость потока газа; s=E/(V.B)– коэффициент нагрузки.

Из этой формулы видно, что удельная мощность Вт/м 3 пропорциональна квадрату скорости потока.

Первые МГД -генераторы использовали в качестве рабочего тела электропроводные жидкости (электролиты), в настоящее время применяют плазму, в которой носителями зарядов являются в основном свободные электроны и положительные ионы , отклоняющиеся в магнитном поле от траектории, по которой газ двигался бы в отсутствие поля. В таком генераторе может наблюдаться дополнительное электрическое поле, так называемое поле Холла [2] , которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Скорость потока.

Скорости потока в МГД-генераторе могут быть в широком диапазоне — от дозвуковых до сверхзвуковых.

Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля определяется конструкцией магнитов и ограничивается значениями около 2 Тл для магнитов со сталью и до 6—8 Тл для сверхпроводящих магнитных систем.

1.По источнику тепла

2.По рабочему телу

Продукты сгорания ископаемых топлив
Инертные газы с присадками щелочных металлов (или их солей);
Пары щелочных металлов;
Двухфазные смеси паров и жидких щелочных металлов;
Жидкие металлы и электролиты .

3.По типу рабочего цикла

МГД -генераторы с открытым циклом. В данном случае продукты сгорания являются рабочим телом, а использованные газы после удаления из них присадки щелочных металлов выбрасываются в атмосферу.
МГД -генераторы с замкнутым циклом. Здесь тепловая энергия, полученная при сжигании топлива, передаётся в теплообменнике рабочему телу, которое затем, пройдя МГД -генератор, возвращается через компрессор , замыкая цикл.

4.По способу отвода электроэнергии

В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток, который через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала, замыкается на внешнюю цепь. В зависимости от изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела такой МГД -генератор может генерировать постоянный или пульсирующий ток

В индукционных МГД -генераторах электроды отсутствуют. Такие установки генерируют только переменный ток и требуют создания бегущего вдоль канала магнитного поля.

5.По форме канала

Линейные — для кондукционных и индукционных генераторов;
Дисковые и коаксиальные холловские — в кондукционных;
Радиальные — в индукционных генераторах.

6.По системам соединений электродов

Наибольшее распространение с 1970-х годов получили кондукционные линейные МГД-генераторы на продуктах сгорания ископаемых топлив с присадками щелочных металлов, работающие по открытому циклу.

Достоинства и недостатки.

Главное достоинство МГД-генераторов состоит в том, что они, повышая на 10-20% коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми электростанциями, могут в настоящее время вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах.
МГД-генератор позволяет непосредственно превращать тепловую энергию в электричество без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания.
Преимущество МГД-генератора — отсутствие в нём движущихся узлов или деталей, непосредственно участвующих в преобразовании тепловой энергии в электрическую. Это позволяет существенно увеличить начальную температуру рабочего тела и, следовательно, КПД электростанции.
В сочетании с паросиловыми установками, МГД-генератор позволяет получить большие мощности в одном агрегате, до 500—1000 МВт.
Одним из достоинств МГД-генератора, работающего на чистом инертном газе, является отсутствие щелочной присадки и соответственно проблем, связанных с ее подачей и восстановлением.
Преимущество МГДГ заключаются в возможности использования высокой температуры рабочего тела, обеспечивающего высокую начальную температуру термодинамического цикла.

Необходимость применения жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000-3000К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000-2000 м/с
Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато химически активная примесь (цезий)
Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов – общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
При температуре газа ниже 2000°С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.

Теоретически, существуют четыре направления промышленного применения МГД-генераторов:

Тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); такие установки наиболее просты и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;
Атомные электростанции с МГД-генератором на инертном газе , нагреваемом в ядерном реакторе (закрытый цикл); перспективность этого направления зависит от развития ядерных реакторов с температурой рабочего тела свыше 2000 K;
Термоядерные электростанции безнейтронного цикла c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;

Циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Эксперимент был окружен завесой строжайшей секретности. Говорят, что после первых пусков магнитогидродинамического генератора (МГД-генератор) на Рыбачьем правительство Норвегии заявило Советскому Союзу протест. Норвежцы сочли, что улавливаемые аппаратурой подземные импульсы — это последствия испытаний ядерного оружия, которые проходили на Кольской земле.

По описанию очевидцев, со стороны это действительно было похоже на атомный взрыв. Над морем вставало грибовидное облако. Упираясь тонкой ножкой в землю, оно росло и колыхалось. Зрелище сопровождалось грохотом, который эхом отдавался среди скал и разносился над Мотовским заливом.

Но это был не взрыв атомной бомбы, а последствия короткого — восьмисекундного — удара электрическим током огромной силы — около 20 тысяч ампер. Его вырабатывал МГД-генератор. От него по двум мощным алюминиевым кабелям ток проходил в заливы, окружающие перешеек между губами Кутовая и Волоковая.

Доктор геолого-минералогических наук Абдулхай Жамалетдинов, сотрудник Кольского филиала РАН, тогда отметил, что этот эксперимент позволил разобраться в основных чертах структуры электропроводности древнего кристаллического щита. Результаты, надо сказать, оказались неожиданными. Прежде ученые считали, что Балтийский кристаллический щит — это сравнительно однородная область, сложенная плохо проводящими породами. В действительности же обнаружено около десятка крупных блоков разного электрического сопротивления. В ходе эксперимента выявлены зоны, перспективные с точки зрения поиска месторождений полезных ископаемых.

Ученые утверждали, что МГД-генератор может стать незаменимым помощником для поиска и оценки углеводородных месторождений. С помощью его импульсов можно определять границу между нефтью и газом, нефтью и водой, оценивать толщину залежей нефти. Эксперименты, начавшиеся на Кольском полуострове, предполагалось продолжить еще и на Сахалине. Президиум Академии наук СССР утвердил программу работ по исследованию геоэлектрическим методом земной коры в рудных и нефтегазоносных районах Севера и Дальнего Востока СССР на 1981—1985гг.

Представлена в виде видеофрагментов лабораторного исследования и презентации в приложении.

Читайте также: