РОЗДІЛ 19. Магнітогідродинамічні генератори

Протягом останніх декількох десятиліть було почато кілька серйозних спроб одержання електроенергії за допомогою магнітогідродинамічного перетворення. Із цією метою був створений магнітогідродинамічний генератор (МГД). Магнітогідродинамічний генератор - пристрій, у якому внутрішня, теплова або кінетична й потенційна енергії потоку електропровідної цього середовища перетворяться в електричну енергію. Принцип роботи МГД генератору заснований на явищі електромагнітної індукції, тобто на виникненні електричного струму у провіднику, що перетинає силові лінії магнітного поля. На відміну від генераторів інших типів, у МГД- генераторі провідником є саме робоче тіло, у якому при русі поперек магнітного поля виникають протилежно спрямовані потоки носіїв зарядів обох знаків. Робочим тілом магнітогідродинамічного генератора може бути низькотемпературна плазма або провідна рідина (рідкі метали, електроліти). Якщо робочим тілом є газоподібний провідник - плазма, то носіями заряду є вільні електрони й позитивні іони. У сильному магнітному полі заряджені частки змінюють траєкторію свого руху й зміщаються в площині перпендикулярній напрямку магнітного поля. Такий спрямований зсув заряджених часток приводить до виникнення додаткового електричного поля (поле Холлу), спрямованого перпендикулярно потоку заряджених часток. Низькотемпературна плазма, використовувана в магнітогідродинамічних генераторах, являє собою продукти згоряння природних або спеціальних палив з легко-іонізуємими добавками з'єднань

Рис. 19.1. Схема пристрою магнітогідродинамічного генератора лужних металів. Також можуть бути використані інертні гази з лужними добавками.

Спрощена схема пристрою магнітогідродинамічного генератора показано на Рис. 19.1. На цьому Рис.: 1 - обкладки електромагніту; 2 - струмоз'ємні електроди, з яких знімається отримана електроенергія; 3 – система введення використовуваного газу; 4 -вихід продуктів згоряння; 5 - робочий канал; б - сопло. З наведеної схеми видне, що сильно розігрітий газ направляється через сопло в канал із сильними магнітами, де за рахунок поділу в магнітному полі розпеченого потоку на іонну й електронну складові одержують безпосередню електроенергію. Принцип процесу дуже економічний із ККД до 60%, оскільки виключаються всі механічні процеси, однак електроди, що знімають струм з високотемпературного газу, працюють в умовах аномально високих температур і, у ряді випадків – розплавляються. Це накладає сильне обмеження на їхнє тривале використання. По способу відводу виробленої електричної енергії магнітогідродинамічні генератори розділяють на два типи: кондукційні б індукційні генератори.

У кондукційних генераторах у робочому тілі, що протікає через поперечне магнітне поле, виникає електричний струм, який замикається на зовнішній ланцюг через знімні електроди, установлені на бічних стінках каналу. Пристрій такого генератора й показано на Рис. 19.1. Залежно від зміни магнітного поля або швидкості руху робочого тіла генератор може генерувати постійний або

Рис. 19.2. Схема дискового холловського Мгд-генератора

змінний (пульсуючий) струм. В індукційних генераторах електроди відсутні. Такі генератори генерують тільки змінний струм, але вимагають наявності каналу уздовж магнітного поля. Можливе використання каналів різної форми: лінійної, дискової або радіальної. За схемою з'єднання електродів розрізняють: фарадеївський генератор, із суцільними або секціонованими електродами, холловський генератор, у якому розташовані друг проти друга електроди котороткозамкнуті, а напруга знімається уздовж усього каналу за рахунок поля Холла. На Рис. 19.2. показаний пристрій дискового холловського генератора. На цьому Рис. показані: 1 – обкладка індуктора; 2 -канал генератора; 3- підведення робочого тіла; 4 – вхідний холловський електрод; 5 - вихідний холловський електрод; 6 - напрямок руху зарядів; 7-навантаження.

Застосування магнітогідродинамічних генераторів холловського типу більш вигідно при великих магнітних полях. За рахунок наявності поздовжнього електричного поля в холловському генераторі можна одержувати значні напруги. Будова коаксіального індукційного магнітогідродинамічного генератора показано на Рис. 19.3. На цьому Рис.:, 1 - підведення робочого тіла; 2 - миттєва епюра магнітного поля; 3 - зовнішній корпус каналу МГД-генератора, на якому розміщається хвильова обмотка індуктора (статор); 4 - вихлоп; 5 - стінка й внутрішній магнітопровід МГД-генератора.

Конструкція МГД генератора й організація руху робочого тіла в каналі впливають на основні характеристики. При використанні в МГД генераторах плазми інертних газів за рахунок індукованого поля можливе підвищення температури електронів, і, як наслідок значне збільшення ступені іонізації плазми і її проводимость. Широке промислове застосування можуть знайти генератори, що працюють як по одноконтурному, так і по двоконтурному типу. На Рис. 19.4. показаний

Рис. 19.3. Схема коаксіального індукційного МГД-генератора

пристрій електростанції на основі МГД генератора, що працює по одноконтурному типу, де: 1 - МГД генератор; 2 – пристрій введення палива; 3 - пристрій введення присадки; 4-система виводу генерованої електроенергії; 5 - перетворювач.

У комбінації з паросиловими установками, МГД-генератор дозволяє одержати значні потужності в одному агрегаті - до 500-1000 Мвт. Як приклад розглянемо дослідно-промислову МГД - установку В-25 розроблену в Москві. Спрощений пристрій цієї установки показано на Рис. 19.5. На цьому Рис.: 1 - МГД генератор; 2 - пристрій введення палива; 3 - пристрій введення присадки; 4 – теплообмінник; 5 – парогенератор; 6 -парова турбіна; 7 – електрогенератор; 8 – конденсатор; 9 - конденсатний насос; 10 - уведення й вивід охолодної води; 11 - вивід електроенергії виробленої МГД генератором. Установка працює на продуктах згоряння природного газу з добавкою К2СО3. Ця добавка використовується як іонізуюча присадка, що дозволяє при відносно невеликих температурах (близько 3000К) зробити продукти згоряння електропровідними. Установка має два контури. Первинний контур розімкнутий, у якому перетворення теплової енергії продуктів згоряння в електричну енергію відбувається в магнітогідродинамічному генераторі. Вторинний контур - замкнений, це паросиловий контур, що використовує тепло продуктів згоряння поза каналом МГД генератора. Теплова схема установки наступна. Атмосферне повітря, збагачений киснем, стискується в компресорі й надходить у повітронагрівач, звідки нагріта до необхідної температури, повітряно-киснева суміш направляється в камеру згоряння. Перед камерою згоряння в потік повітряно-кисневої суміші уводиться водяний розчин, що легко іонізує присадки. Іонізовані продукти згоряння розганяють у соплі й

Рис. 19.4. Пристрій електростанції на основі МГД генератора, що працює по одноконтурному типу

надходять у канал МГД генератора. Канал генератора розмішений між обкладками магніту, що створює магнітне поле з індукцією 2 тесла.

Рис. 19.5. Пристрій електростанції на основі МГД генератора, що працює по дві контурному типу

Дослідження й розробки МГД генераторів широко розгорнуті в Росії, США, Японії, Нідерландах, Індії й інших країнах. Основна перевага МГД- генератора - відсутність у них вузлів, що рухаються, або деталей, безпосередньо що беруть участь у перетворенні теплової енергії в електричну. Це дозволяє суттєво збільшити початкову температуру робочого тіла й, отже, ККД усієї електростанції.