МГД генератор принцип работы

Мгд генератор принцип работы

МГД-генератор

Это устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Как работает устройство

В основе находится эффект электромагнитной индукции, а значит, возникает ток в проводнике. Это происходит за счет того, что последний пересекает силовые линии магнитного поля внутри устройства.

В основе действия находятся заряженные частицы, на которые действует сила Лоренца. Движение рабочего тела происходит поперек магнитного поля. Благодаря этому возникают потоки носителей зарядов с ровно противоположными направлениями. На этапе становления в МГД-генераторах применялись преимущественно электропроводные жидкости или электролиты. Именно они и являлись тем самым рабочим телом. Современные вариации перешли на плазму. Носителя зарядов для новых машин стали положительные ионы и свободные электроны.

Конструкция МГД-генераторов

Первый узел устройства называется каналом, по которому движется рабочее тело. В настоящее время в магнитогидродинамических генераторах в качестве основной среды применяется по большей части плазма. Следующий узел представляет из себя систему магнитов, которые отвечают за создание магнитного поля и электродов для отведения той энергии, которая будет получена в ходе рабочего процесса. При этом источники могут быть различными. В системе можно применять как электромагниты, так и постоянные магниты.

Далее газ проводит электрический ток и нагревается до температуры термической ионизации, которая составляет приблизительно 10 тысяч Кельвинов. После данный показатель непременно нужно снизить. Планка температуры падает до 2,2-2,7 тысячи Кельвинов за счет того, что в рабочую среду добавляются специальные присадки со щелочными металлами. В ином случае плазма не является в достаточной степени эффективной, потому как величина ее электропроводности становится значительно меньшей, чем у той же воды.

Типичный цикл работы устройства

Другие узлы, составляющие конструкцию магнитогидродинамического генератора, лучше всего перечислить вместе с описанием функциональных процессов в той последовательности, в которой они происходят.

1. Камера сгорания принимает загружаемое в нее топливо. Также добавляются окислители и различные присадки.
2. Топливо начинает гореть, что позволяет образоваться газу в качестве продукта сгорания.
3. Далее задействуется сопло генератора. Через него газы проходят, после чего они расширяются, а их скорость возрастает до скорости звука.
4. Действие доходит до камеры, пропускающей через себя магнитное поле. На ее стенках находятся специальные электроды. Именно сюда поступают газы на данном этапе цикла.
5. Затем рабочее тело под влиянием заряженных частиц отклоняется от своей первичной траектории. Новое направление находится в точности там, где располагаются электроды.
6. Завершающий этап. Происходит образование электрического тока между электродами. На это цикл заканчивается.

Применение МГД-генераторов

1. Термоядерные электростанции. В них применяется безнейтронный цикл с МГД-генератором. В качестве топлива принято использовать плазму на высоких температурах.
2. Тепловые электростанции. Используется открытый тип цикла, а сами установки по конструктивным особенностям являются достаточно простыми. Именно этот вариант все еще имеет перспективы к развитию.
3. Атомные электростанции. Рабочее тело в данном случае — инертный газ. Он нагревается в ядерном реакторе по закрытому циклу. Также имеет перспективы к развитию. Однако возможность применения зависит от появления ядерных реакторов с температурой рабочего тела выше 2 тысяч Кельвинов.

Магнитогидродинамические генераторы

Принцип действия магнитогидродинамического генератора (МГД – генератора) заключается в том, что при движении ионизированного газа (низкотемпературной плазмы) через сильное магнитное поле в нем индуцируется электрический ток. Низкотемпературная плазма возникает при нагревании газа до температуры 2300 – 3000 К, когда от его молекул или атомов отрываются внешние электроны, вследствие чего газ ионизируется и становится проводником электрического тока.

Электроэнергия (постоянный ток) отбирается из плазмы керамическими электродами и выдается в цепь и далее в инверторы, где преобразуется в переменный ток, поступающий в сеть. Для увеличения электропроводности газа в него дополнительно вводят легкоионизируемые вещества – щелочные металлы: калий, натрий и др.

В МГД – генераторах отсутствуют громоздкие вращающиеся части, отпадает необходимость применения турбомашин для привода генератора.

МГД – генераторы разрабатываются двух типов: открытого цикла, в которых рабочим телом являются продукты сгорания органического топлива, и закрытого цикла, в которых непрерывный поток инертных газов (аргона, водорода) нагревается в теплообменниках продуктами сгорания.

На рис.3.7 представлена схема магнитогидродинамической установки. Атмосферный воздух сжимается в компрессоре 1 и после предварительного нагрева в регенераторе 2 поступает в камеру сгорания 3. Туда же подается топливо и присадки. Нагретые до температуры2500 – 3000 К. продукты сгорания поступают в сопло 4, где расширяются, а затем в канал 5,где генерируют электрический ток, пересекая магнитное поле. Для создания сильного магнитного поля снаружи канала 5 размещена обмотка 6, к которой подведен переменный электрический ток от блока питания 7. В канале МГД – генератора размещены керамические электроды для отвода электроэнергии.

Рис. 3.7-Схема магнитогидродинамической установки

1 – компрессор; 2 – регенератор; 3 – камера сгорания; 4 – сопла; 5 – канал МГДГ; 6 – обмотка электромагнитов; 7 – блок питания магнитов; 8 – электроды; 9 – парогенератор; 10 – турбина; 11 – конденсатор; 12 – насос.

Отработанные газы с температурой до 2300 К. поступают в регенератор 2, где частично отдают тепло поступающему воздуху и далее направляются в парогенератор 9, где вырабатывают водяной пар. Охлажденные до температуры 1500 С отработанные газы выбрасываются в атмосферу. Полученный водяной пар поступает в турбину 10, затем конденсируется в конденсаторе 11 и насосом 12 вновь закачивается в парогенератор.

МГД-генератор позволяет значительно повысить начальную температуру рабочего тела, и, следовательно, КПД электростанции.

МГД-генератор в комплексе с обычным турбогенератором в качестве второй ступени дает возможность повысить общий КПД такой энергетической установки до 50 – 60%.

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. 6. Фото МГД-генератора «Хибины» на Кольском полуострове

Рис. 7. Устройство МГД-генератора

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

Что такое МГД генератор

Альтернативных источников энергии на планете Земля огромное количество. Просто человечество еще не научилось эту энергию получать дешевыми способами, хотя многие из них уже используются. Практически все виды альтернативной энергии в теории разработаны и получены в лабораторных условиях. Одним из таких видов является энергия, получаемая от электролита, расположенного в магнитном поле. Такой эффект называется магнитогидродинамический, а установка, в которой эту энергию получают, МГД генератор. Ученым этот эффект известен давно. Стоит напомнить, что еще Фарадей в 1832 году пытался в лабораторных условиях найти электромагнитную движущуюся силу. Для этого он использовал воду из реки Темза. Давайте рассмотрим обе позиции (эффект и генератор) более подробно.

Магнитогидродинамический эффект

По сути, это возникновение электрического поля, а соответственно и электрического тока в электролите, который собой может представлять ионизированную воду, газ (это плазма) или жидкий металл. Получается так что сам эффект основан на принципе электромагнитной индукции, в основе которой лежит способ получения электричества внутри проводника, расположенного в магнитном поле. То есть, проводник должны пересекать силовые линии поля.

В этом случае внутри проводника возникают потоки ионов, заряды которых противоположны зарядам движущихся частиц внутри магнитного поля. При этом силовые линии магнитного поля движутся в противоположную сторону ионизированных зарядов внутри проводника.

Магнитогидродинамический генератор

МГД генератор – это установка преобразования тепловой энергии в электрическую, в основе которой лежит магнитогидродинамический эффект. На генераторы возлагались большие надежды, ученые в конце двадцатого столетия пытались разработать эффективные МГД генераторы промышленного исполнения, даже были построены экспериментальные образцы. Но все по непонятным причинам остановилось, видно прекратилось финансирование проектов.

Необходимо отдать должное ученым, которые не бросили начинания. Во всяком случае, теоретическая часть доведена до максимальной точности.

Достоинства и недостатки

Итак, каковы преимущества МГД генераторов:

• Это огромная мощность при небольших размерах установки (доходит до нескольких мегаватт).
• Полное отсутствие вращающихся деталей, а, значит, нет потерь на трение.
• МГД генератор – объемная установка. Почему? Во-первых, объемные процессы, которые протекают в генераторе, уменьшают наличие нежелательных процессов поверхностного типа, к примеру, снижено загрязнение, минимум токов утечек и так далее. Во-вторых, больше объем – больше мощность машины.
• Из предыдущего следует, что чем больше МГД генератор, тем выше коэффициент полезного действия, тем меньше вредных выбросов из установки.
• В свое время был достигнут достаточно серьезный показатель экономии и эффективности, когда магнитогидродинамический агрегат соединили с котельной. Эффект оказался тройным. После сжигания газа или другого энергоносителя в топке котла, отработанные газы (они ионизированные) поступали в генератор, который вырабатывал электрический ток, далее газы поступали на парогенератор ТЭЦ, дополнительно нагревая воду или пар для отопления. Необходимо отметить, что в те времена коэффициент полезного действия такой комбинации составлял 65%, и это по сравнению с традиционным КПД старых котельных 50%.
• И, конечно, магнитогидродинамические генераторы являются установками передвижными. А это, как показывает жизнь, иногда очень важно.

Теперь о недостатках:

• В первую очередь необходимо отметить, что установка МГД генератора должна изготавливаться из дорогих жаропрочных сплавов. Потому что температура внутри генератора очень высокая, а скорость движения внутри него горячих газов составляет 2000 м/с.
• МГД генератор может вырабатывать только постоянный ток, поэтому к нему придется добавлять эффективный инвертор.
• Существует два вида генераторов: с открытым циклом и открытым. В обоих из них протекают процессы с химически активными веществами.
• Электроды, которые и вырабатывают электрический ток внутри МГД генератора, расположен в так называемом МГД канале. Так вот в канале всегда присутствует температура, определяемая тысячами градусов. Поэтому электроды быстро выходят из строя.
• Всем известно, что мощность установки прямопропорциональна квадрату индукции магнитного поля. Поэтому для промышленных образцов требуются очень большие магнитные системы. Они в несколько тысяч раз мощнее, чем лабораторные образцы.
• Если температура газа, проходящего через МГД генератор, падает ниже +2000С, то в нем практически не остается свободных электронов. Поэтому такой газ использовать для получения электрического тока нет смысла.
• По непонятным причинам в основном разрабатывались МГД генераторы, работающие на плазме (ионизированном газе). А вот использование морской воды не применялось, хотя именно морская вода и является отличным электролитом. В ней заключено огромное количество энергии, которую можно было бы использовать. Видно пока не нашлись те технологии, которые смогли бы эту энергию получить через МГД генератор.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что проблем с устройством и использованием МГД генераторов много. И их придется еще преодолевать. Правда, некоторые позиции умельцам удается обходить, используя всевозможные хитроумные идеи. Но это опять-таки на уровне опытных образцов.

Как сделать МГД-генератор своими руками

Давайте рассмотрим вопрос, можно ли сделать МГД генератор своими руками? В принципе, ничего сложного нет, ведь теоретически схема и технология работы установки известна. Вот самый простой МГД генератор.

Для его изготовления потребуется плексигласовый брусок прямоугольного сечения вот с такими размерами: 120х26х18 миллиметров. В бруске необходимо сделать сквозное отверстие диаметром 12 мм. Внутрь отверстия устанавливаются две пластинки или из меди, или из латуни. Обратите внимание, что сечение полосок должно быть сегментным. Они соединяются клеммами.

С двух сторон к бруску необходимо подсоединить ниппели из алюминия. К ним будут присоединяться резиновые шланги. По граням бруска приклеиваются цилиндры из плексигласа, на которые будут надеты магниты диаметром 20 мм. Все, вот такая нехитрая конструкция. Этот МГД генератор позволяет проводить забавные опыты с магнитной индукцией и электродвижущей силой. Все будет зависеть от числа прикрепленных магнитов, уменьшая или увеличивая их, можно изменять скорость движения ионов, изменять заряды, количество и так далее.

Магнитогидродинамический генератор: устройство, принцип работы и назначение

Далеко не все альтернативные источники энергии на планете Земля до сих пор были изучены и успешно применены. Тем не менее человечество активно развивается в данном направлении и находит все новые варианты. Одним из них стало получение энергии из электролита, который находится в магнитном поле.

Заложенный эффект и происхождение названия

Первые труды на этом поприще приписываются еще Фарадею, работавшему в лабораторных условиях еще в 1832 году. Он исследовал так называемый магнитогидродинамический эффект, а точнее, искал электромагнитную движущую силу и пытался ее успешно применить. В качестве источника энергии использовалось течение реки Темза. Вместе с названием эффекта свое наименования получила и установка — магнитогидродинамический генератор.

В данном МГД-устройстве происходит прямое преобразование одного вида энергии в другой, а именно механической в электрическую. Особенности такого процесса и описание принципа его действия в целом подробно описываются в магнитной гидродинамике. В честь данной дисциплины и был назван сам генератор.

Описание действия эффекта

В первую очередь следует понять то, что происходит во время функционирования устройства. Только так можно осознать принцип работы магнитогидродинамического генератора в действии. Эффект построен на возникновении электрического поля и, конечно же, электрического тока в электролите. Последний представляется различными средами, к примеру, жидким металлом, плазмой (газом) или водой. Из этого можно заключить, что в основе принципа действия лежит электромагнитная индукция, использующая магнитное поле для выработки электричества.

Получается так, что проводник должен пересекаться с силовыми линиями поля. Это является, в свою очередь, обязательным условием для того, чтобы потоки ионов с противоположными относительно движущихся частиц зарядами начали возникать внутри устройства. Также важно отметить поведение силовых линий. Построенное из них магнитное поле движется внутри самого проводника в противоположную сторону от той, где находятся заряды ионов.

Определение и история МГД-генератора

Установка представляет из себя устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую. В ней полностью применяется вышеописанный эффект. При этом магнитогидродинамические генераторы в свое время считались достаточно новаторской и прорывной идеей, построение первых образцов которых занимало умы ведущих ученых двадцатого века. Вскоре финансирование таких проектов исчерпало себя по не совсем понятным причинам. Уже были возведены первые экспериментальные установки, однако на их использовании был поставлен крест.

Самые первые конструкции магнитодинамических генераторов описывались еще в 1907-910 годах, тем не менее они не могли быть созданы в силу ряда противоречащих физических и архитектурных особенностей. В качестве примера можно привести то, что еще не были созданы материалы, которые могли бы нормально функционировать при рабочих температурах в 2500-3000 градусов по Цельсию в газовой среде. Российская модель должна была появиться в специально построенном МГДЭС в городе Новомичуринске, который расположен в Рязанской области в непосредственной близости от ГРЭС. Проект был свернут в начале 1990-х годов.

Как работает устройство

Конструкция и принцип действия магнитогидродинамических генераторов по большей части повторяют таковые у обыкновенных машинных вариантов. В основе находится эффект электромагнитной индукции, а значит, возникает ток в проводнике. Это происходит за счет того, что последний пересекает силовые линии магнитного поля внутри устройства. Однако существует и одно отличие между машинными и МГД-генераторами. Оно заключается в том, что для магнитогидродинамических вариантов в качестве проводника используется непосредственно само рабочее тело.

В основе действия также находятся заряженные частицы, на которые действует сила Лоренца. Движение рабочего тела происходит поперек магнитного поля. Благодаря этому возникают потоки носителей зарядов с ровно противоположными направлениями. На этапе становления в МГД-генераторах применялись преимущественно электропроводные жидкости или электролиты. Именно они и являлись тем самым рабочим телом. Современные вариации перешли на плазму. Носителя зарядов для новых машин стали положительные ионы и свободные электроны.

Конструкция МГД-генераторов

Первый узел устройства называется каналом, по которому движется рабочее тело. В настоящее время в магнитогидродинамических генераторах в качестве основной среды применяется по большей части плазма. Следующий узел представляет из себя систему магнитов, которые отвечают за создание магнитного поля и электродов для отведения той энергии, которая будет получена в ходе рабочего процесса. При этом источники могут быть различными. В системе можно применять как электромагниты, так и постоянные магниты.

Далее газ проводит электрический ток и нагревается до температуры термической ионизации, которая составляет приблизительно 10 тысяч Кельвинов. После данный показатель непременно нужно снизить. Планка температуры падает до 2,2-2,7 тысячи Кельвинов за счет того, что в рабочую среду добавляются специальные присадки со щелочными металлами. В ином случае плазма не является в достаточной степени эффективной, потому как величина ее электропроводности становится значительно меньшей, чем у той же воды.

Типичный цикл работы устройства

Другие узлы, составляющие конструкцию магнитогидродинамического генератора, лучше всего перечислить вместе с описанием функциональных процессов в той последовательности, в которой они происходят.

1. Камера сгорания принимает загружаемое в нее топливо. Также добавляются окислители и различные присадки.
2. Топливо начинает гореть, что позволяет образоваться газу в качестве продукта сгорания.
3. Далее задействуется сопло генератора. Через него газы проходят, после чего они расширяются, а их скорость возрастает до скорости звука.
4. Действие доходит до камеры, пропускающей через себя магнитное поле. На ее стенках находятся специальные электроды. Именно сюда поступают газы на данном этапе цикла.
5. Затем рабочее тело под влиянием заряженных частиц отклоняется от своей первичной траектории. Новое направление находится в точности там, где располагаются электроды.
6. Завершающий этап. Происходит образование электрического тока между электродами. На это цикл заканчивается.

Основные классификации

Существует множество вариантов исполнения готового устройства, однако принцип работы будет фактически одинаковым в любом из них. К примеру, возможен запуск магнитогидродинамического генератора на твердом топливе вроде продуктов сгорания ископаемых. Также в качестве источника энергии применяются пары щелочных металлов и их двухфазные смеси с жидкими металлами. По продолжительности работы МГД-генераторы делятся на длительные и кратковременные, а последние — на импульсные и взрывные. Из источников тепла можно назвать ядерные реакторы, теплообменные устройства и реактивные двигатели.

Кроме того, есть также классификация по типу рабочего цикла. Здесь подразделение происходит лишь на два основных типа. Генераторы с открытым циклом имеют рабочее тело, смешанное с присадками. Продукты сгорания идут через рабочую камеру, где они в процессе очищаются от примесей и выбрасываются в атмосферу. В замкнутом цикле рабочее тело попадает в теплообменник и лишь после этого поступает в камеру генератора. Далее продукты сгорания ждет компрессор, который и заканчивает цикл. После этого рабочее тело возвращается на первый этап в теплообменник.

Главные характеристики

Если вопрос о том, что вырабатывает магнитогидродинамический генератор можно считать в полной мере освещенным, то следует представить основные технические параметры подобных устройств. Первым из них по значимости, вероятно, идет мощность. Она пропорциональна проводимости рабочего тела, а также квадратам напряженности магнитного поля и его скорости. Если рабочее тело представляет из себя плазму с температурой около 2-3 тысяч Кельвинов, то проводимость пропорциональна ей в 11-13 степени и обратно пропорциональна квадратному корню из давления.

Также следует привести данные о скорости потока и индукции магнитного поля. Первая из этих характеристик варьируется в довольно больших пределах, начиная от дозвуковых скоростей и заканчивая гиперзвуковыми вплоть до 1900 метров в секунду. Что же касается индукции магнитного поля, то она зависит от конструкции магнитов. Если они сделаны из стали, то верхняя планка установится на отметке в 2 Тл. Для системы, которая состоит из сверхпроводящих магнитов, это значение вырастает до 6-8 Тл.

Применение МГД-генераторов

Широкого использования таких устройств сегодня наблюдать не приходится. Тем не менее теоретически существует возможность строить электростанции с магнитогидродинамическими генераторами. Всего есть три допустимых вариации:

1. Термоядерные электростанции. В них применяется безнейтронный цикл с МГД-генератором. В качестве топлива принято использовать плазму на высоких температурах.
2. Тепловые электростанции. Используется открытый тип цикла, а сами установки по конструктивным особенностям являются достаточно простыми. Именно этот вариант все еще имеет перспективы к развитию.
3. Атомные электростанции. Рабочее тело в данном случае — инертный газ. Он нагревается в ядерном реакторе по закрытому циклу. Также имеет перспективы к развитию. Однако возможность применения зависит от появления ядерных реакторов с температурой рабочего тела выше 2 тысяч Кельвинов.

Перспективность устройств

Актуальность магнитогидродинамических генераторов зависит от целого ряда факторов и нерешенных до сих пор проблем. В качестве примера можно привести способность таких устройств к выработке только постоянного тока, а значит для их обслуживания необходимо конструировать достаточно мощные и притом экономичные инверторы.

Другой видимой проблемой является отсутствие необходимых материалов, которые могли бы проработать достаточно длительное время в условиях разогрева топлива до запредельных температур. То же самое касается и электродов, применяемых в таких генераторах.

Другие варианты применения

Помимо функционирования в основе электростанций, данные устройства способны работать в специальных энергетических установках, что было бы весьма полезно для атомной энергетики. Применение магнитогидродинамического генератора допускается и в гиперзвуковых авиационных системах, однако каких-либо продвижений в данной области пока что наблюдать не приходится.

Магнитогидродинамический генератор

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.

Содержание

Происхождение названия

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

Особенности

Также как и в обычных машинных генераторах, принцип работы МГД-генератора основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. Но, в отличие от машинных генераторов, в МГД-генераторе проводником является само рабочее тело, в котором при движении поперёк магнитного поля возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков.

Рабочим телом МГД-генератора могут служить следующие среды:

• Электролиты
• Жидкие металлы
• Плазма (ионизированный газ)

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 (см. Эффект Холла), которое объясняется смещением заряженных частиц между соударениями в сильном магнитном поле в плоскости, перпендикулярной магнитному полю.

Устройство

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

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10000 К). Для работы при меньших температурах газ обогащают парами щелочных металлов, что позволяет снизить температуру смеси до 2200—2700 К.

В отличие от МГД-генератора с жидким рабочим телом, где генерирование электроэнергии идёт только за счёт преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока при постоянной температуре, в МГД-генераторах с газовым рабочим телом принципиально возможны три режима:

• С сохранением температуры и уменьшением кинетической энергии;
• С сохранением кинетической энергии и уменьшением температуры;
• Со снижением и температуры, и кинетической энергии.

Классификация

По источнику тепла

• Реактивные двигатели;
• Ядерные реакторы;
• Теплообменные устройства;

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.

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.

По способу отвода электроэнергии

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

По форме канала

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

По системам соединений электродов

• Фарадеевский генератор со сплошными или секционированными электродами. Секционирование электродов в фарадеевском МГД-генераторе делается для того, чтобы уменьшить циркуляцию тока вдоль канала и через электроды (эффект Холла) и тем самым направить носители зарядов перпендикулярно оси канала на электроды и в нагрузку; чем значительнее эффект Холла, тем на большее число секций необходимо разделить электроды, причём каждая пара электродов должна иметь свою нагрузку, что весьма усложняет конструкцию установки.
• Холловский генератор, в котором расположенные друг против друга электроды короткозамкнуты, а напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора.
• Сериесный генератор с диагональным соединением 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.

История изобретения

Впервые, идея использования жидкого проводника была выдвинута ещё Майклом Фарадеем, в 1832 совершившим неудачную попытку применения её на практике. В дальнейшем, в 1851 году английскому учёному Волластону удалось измерить ЭДС, 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 работающий МГД-генератор был построен только в 1950-х годах благодаря развитию теории магнитной гидродинамики и физики плазмы, исследованиям в области физики высоких температур и созданию к этому времени жаропрочных материалов, использовавшихся тогда, прежде всего, в ракетной технике.

Источником плазмы с температурой 3000 К в первом МГД-генераторе, построенном в США в 1959 году, служил плазмотрон, работавший на аргоне с присадкой щелочного металла для повышения степени ионизации газа. Мощность генератора составляла 11,5 кВт. К середине 60-х годов мощность МГД-генераторов на продуктах сгорания удалось довести по 32 МВт («Марк-V», США).

В СССР первая лабораторная установка «У-02», работавшая на природном топливе, была создана в 1965. В 1971 году была пущена опытно-промышленная энергетическая установка «У-25», имеющая расчётную мощность 20—25 МВт.

«У-25» работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой K₂CO₃ в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3000 К. Установка имела два контура: первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГД-генераторе, и вторичный, замкнутый — паросиловой контур, использующий тепло продуктов сгорания вне канала МГД-генератора. Электрическое оборудование «У-25» состояло из МГД-генератора и инверторной установки, собранной на ртутных игнитронах.

Характеристики

Мощность

Мощность МГД-генератора пропорциональна проводимости рабочего тела, квадрату его скорости и квадрату напряжённости магнитного поля. Для газообразного рабочего тела в диапазоне температур 2000—3000 К проводимость пропорциональна температуре в 11—13-й степени и обратно пропорциональна корню квадратному из давления.

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.

Достоинства

Основное 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.

Применение

Теоретически, существуют три направления промышленного применения МГД-генераторов:

1. Тепловые электростанции с МГД-генератором на продуктах сгорания топлива (открытый цикл); такие установки наиболее просты и имеют ближайшую перспективу промышленного применения;
2. 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;
3. Термоядерные электростанции безнейтронного цикла (например, D + 3 He → p + 4 He + 18,353 МэВ) c МГД-генератором на высокотемпературной плазме;
4. Циклы с МГД-генератором на жидком металле, которые перспективны для атомной энергетики и для специальных энергетических установок сравнительно небольшой мощности.

Энергетические установки с МГД-генератором могут применяться также как резервные или аварийные источники энергии в энергосистемах, для бортовых систем питания космической техники, в качестве источников питания различных устройств, требующих больших мощностей на короткие промежутки времени (например, для питания электроподогревателей аэродинамических труб и т. п.).

Несмотря на заманчивые перспективы и бурное развитие исследований в области МГД-генераторов в 1970-е, устройства на их основе так и не нашли широкого промышленного применения вплоть до настоящего времени.

МГД генератор принцип работы

ЖИДКОСТНОЙ МГД — ГЕНЕРАТОР
(безмашинный способ прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию)

© Хамзя Умяров

Современные способы получения электрической энергии из органического топлива довольно сложны, так как в тепловых двигателях требуется промежуточное преобразование энергии, а такие установки — дорогие и громоздкие. Поршневые ДВС, газовые турбины и реактивные двигатели принципиально проще паросиловых установок, поскольку в них нет промежуточного рабочего тела – пара, для получения которого требуется дополнительное оборудование (котел, конденсатор, насосное хозяйство и пр.), что связано с затратами энергии. Однако и в этих двигателях тепловая энергия преобразуется в механическую, а затем уже в электрическую. Так же сложны установки и других типов (гидравлические турбины, атомные станции и т.д.), поэтому уже давно стоит вопрос о разработке новых методов получения электрической энергии без промежуточных преобразований. В настоящее время большой интерес представляют такие способы прямого получения электроэнергии, как термоионный (термоэлектронный); термоэлектрический; магнитогидродинамический (магнитогазодинамический); электрохимический (топливные элементы).

Остановимся на магнитогидродинамическом способе прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию. Существующие магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы), в основе работы которых рабочее тело – газ, нагретый до температуры в несколько тысяч градусов, становящийся ионизированной плазмой и хорошим проводником электричества (в том числе, при добавлении присадок в виде карбоната калия или солей цезия), — следует называть магнитогазодинамическими. Но можно разработать и создать именно магнитогидродинамические генераторы, в основе работы которых рабочим телом становятся специально подготовленные жидкостные растворы. В том числе, газожидкостные дисперсии, а на их основе – дисперсионные суспензии. Преимуществом последних будет то, что отпадает необходимость иметь высокотемпературные газовые среды, сложность удержания которых в замкнутых объёмах приводит к большим тепловым потерям и, как правило, к резкому снижению кпд до 40%, в то время как теоретически допускается, что метод прямого преобразования тепловой энергии в электрическую способен иметь кпд в 65…70%.

Идея жидкостных МГД-генераторов далеко не новая. Еще в 1974 году в книге «Техническая термодинамика» авторы академики АН СССР Кириллин В.А., Сычев В.В. и Шейндлин А.Е. отметили:
«Наряду с МГД-генераторами, в которых в качестве электропроводящей среды используется частично ионизированный газ, рассматриваются схемы МГД установок, рабочим телом которых являются жидкие металлы (обычно это щелочные металлы, такие как натрий, и некоторые другие). Значительно более высокая электропроводность жидкого металла (на 4-5 порядков выше, чем частично ионизованного газа) позволяет получить большие мощности при относительно невысоких скоростях движения жидкого металла в МГД-генераторе. Кпд жидкометаллических МГД установок заметно ниже, чем плазменных установок, в первую очередь, вследствие малой экономичности способа ускорения жидких металлов, например, при помощи инжектора, однако компактность установки за счёт значительно больших удельных мощностей и применение для обеспечения циркуляции рабочего тела устройства, не имеющего движущихся частей (электромагнитного насоса вместо громоздкого компрессора), делают жидкометаллические МГД-генераторы привлекательными в ряде случаев (например, в качестве транспортных энергетических установок)».

Ещё одной важной особенностью, мешающей достижению теоретически допустимых значений кпд, является то, что канал МГД-генератора обязательно должен находиться в магнитном поле. Как известно из электродинамики, при пересечении проводником силовых линий магнитного поля в этом проводнике возникает электродвижущая сила (в частности, в обычном электрогенераторе э.д.с. в обмотке ротора возникает при пересечении проводниками обмотки ротора силовых линий магнитного поля, образуемого электромагнитом статора).

Хорошо известен эффект Эйнштейна-де Хааза, который широко используется в современных высоких электронных технологиях, суть которого заключается в том, что при намагничивании ферромагнетик приобретает вращательный момент относительно направления намагничивания (А. Эйнштейн и нидерландский физик В. де Хааз, 1915). Гораздо менее известен и менее распространен эффект Барнетта (1909), — обратный эффекту Эйнштейна-де Хааза, — суть которого заключается в том, что вращение ферромагнитного образца увеличивает его намагниченность вдоль оси вращения.

Эффект Барнетта в сочетании с эффектом Меркулова (см. материал по ссылке: http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9003.html) может положить начало разработке нового способа прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию, то есть, жидкостных МГД-генераторов. В его основе — низкопотенциальное тепло (газы с температурой не более 200ªC) и растворы (газожидкостные суспензии) на основе соединений, например, железа. Данная технология вполне позволит получать газожидкостные дисперсионные суспензии, струи которых при взаимодействии с магнитным полем установки, порождают внутри потока э.д.с., под действием которой, в свою очередь, в замкнутой внешней цепи установки потечёт электрический ток. Преимуществом такого способа прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию станет отсутствие высокотемпературных сред, сложность удержания которых в замкнутых объемах, не дозволяет довести кпд МГД-генерации до величин, близких к теоретическим. Кроме того, такие жидкостные МГД-генераторы будут дешевле, проще и более компактными в сравнении с магнитогазодинамическими.

Здесь необходимо сослаться на работы профессора Самарского государственного университета, доктора технических наук, заведующего лабораторией ОНИЛ-9 А.П. Меркулова, который первым попробовал использовать в качестве рабочего тела жидкость (воду) в известной конструкции вихревой трубки Ранке — Хильша. Полученные им результаты интересны тем, что вода, пропущенная через устройство, активно насыщалась парогазовыми пузырьками различного диаметра (мною этот опыт повторен и полностью подтверждается). Об устойчивости полученного газожидкостного раствора А.П. Меркулов ничего не сообщает. Но при этом высказал предположение о механизме образования пузырьков.

Рис.1. Линии тока закрученного потока жидкости

По его мнению, в пограничном (пристеночном) слое раскрученного потока жидкости сдвиговые силы так действуют на элементарный объём жидкости, что возникает микровихревое образование вдоль оси, параллельной стенке. Под действием центробежных сил вдоль оси возникает пустота, которая мгновенно заполняется парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости.

Рис.2. Иллюстрация эффекта Меркулова: желтые стрелки – движение потока вдоль стенки

В предлагаемой к рассмотрению конструкции установки, идея А.П. Меркулова дополнена тем, что на цилиндрическую стенку, омываемую раскрученным потоком жидкости, наложены упругие механические колебания низкой частоты. То есть, стенка совершает колебательные движения, скорости которых периодически — то совпадают с линейной скоростью закрученного потока жидкости, то направлены в противоположную сторону.

Рис.3. Эффект Меркулова дополнен наложением упругих колебаний на стенку

Если А.П. Меркулов прав в своих предположениях, то в данном случае создаются практически идеальные условия для зарождения огромного множества раскручиваемых элементарных объёмов жидкости. Приближённые расчеты показывают, что, например, элементарный объём жидкости, имеющий в поперечном сечении квадрат со сторонами в 10 микрон, при расчётной амплитуде колебаний стенки в 0,3 мм, раскручиваясь, приобретает частоту вращения в миллионы (!) оборотов в минуту. Возникающие при этом центробежные силы, действующие на жидкость, столь велики, что вдоль оси вращения непременно образуется пустота веретёнообразной формы, мгновенно заполняемая парами самой жидкости и газами, содержащимися в жидкости.

Рис.4. Первая четверть периода колебаний стенки, когда её скорость растёт от 0 до максимума

Поскольку у сферы наилучшее оптимальное соотношение между объёмом и её поверхностью, то, в конце концов, веретёнообразное образование приобретает сферическую форму, то есть, форму пузырька. Фактически, в объёме жидкости присутствуют включения, характерной особенностью которых является то, что они обладают собственно моментом количества движения. В квантовой механике это называется спином. Даже, если представить себе, что до полного затухания вращательного момента требуется несколько секунд, то и тогда этого времени вполне достаточно, чтобы сочетание эффектов Барнетта и Меркулова проявили себя при пропускании жидкости через силовые линии магнитного поля, образуемого электромагнитом статора. То есть, в обмотке статора появится своя э.д.с.

Источником низкопотенциальной тепловой энергии могут стать уходящие газы ДВС, газовых турбин и котлов многочисленных отопительных котельных. Действительно, температура их уходящих газов, как правило, не превышает 200°C. Между тем, при получении 1 МВт тепловой полезной нагрузки от сжигаемого природного газа в атмосферу выбрасывается примерно 1500 кубометров газов. Данное «бросовое» тепло и может быть использовано для выработки электроэнергии жидкостными МГД-генераторами. Если представить себе, что кпд такого безмашинного прямого преобразования тепловой энергии в электроэнергию составляет, например, 50%, то от использования 1500 куб. метров уходящих газов можно получить электрическую мощность величиной в 40…50 КВт. Но в наше время мощности городских отопительных котельных измеряются уже сотнями МВт. Например, в Москве имеется целый ряд районных тепловых станций (РТС), мощности которых перевалили за 500 МВт.

Правительство Москвы, решая вопросы повышения эффективности топливно-энергетического комплекса города, идёт по пути форсированного освоения, так называемой, когенерации. То есть, на территории существующих РТС устанавливаются газотурбинные установки (ГТУ), вырабатывающие электроэнергию, тепло выхлопных газов которых с помощью котлов-утилизаторов используется для нужд отопления и горячего водоснабжения. Это даёт ощутимую экономию топливных ресурсов.

Автор данных строк немного работал на РТС в московском Пенягино. Тепловая мощность РТС составляет около 600 МВт. Кроме котлов, там установлены два блока ГТУ когенерации. В их основе две «сименсовские» турбины по 25 МВт каждая. Но прямое преобразование тепла почти 850 тыс. кубометров уходящих газов (в час) в электроэнергию может дать ещё, как минимум, 30 МВт электрической мощности.