Магнитогидродинамические устройства. МГД генератор

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Волгоградский Государственный Технический Университет»

 

 

 

 

 

Реферат

по дисциплине “Основы физической электроники ”

на тему:

«Магнитогидродинамические устройства. МГД генератор»

 

 

Выполнил: студент гр.Ф-269

Абдышев К.Т

Проверил: старший  преп.

Евдокимов Р.А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград 2013.

 

Содержание.

Введение……………… …………………………………………………..…3

История изобретения………………………………......................................4

Устройство…………………………………………… ………………….….4

Классификация………………………………………. ………………….….8

Характеристики …………………………………………………………….114

Электрические станции с МГД-генератором……………………………..14

Достоинства и недостатки………………………………………………… 18

Использованная литература………………………………………………..19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Человеческое общество не может жить без энергии. Пока основной источник энергии для человека — природное топливо: уголь, нефть, газ. Но запасы этого топлива не вечны. Правда, мы знаем другие источники энергии — Солнце и атом. В будущем основными источниками станут именно они, но их освоение требует времени, а запасы природного топлива тем временем убывают. Как эффективнее использовать эти запасы? Естественное предложение — повышать коэффициент полезного действия устройств, преобразующих энергию природного топлива в электрическую энергию. Как известно, КПД тепловой машины увеличивается при увеличении максимальной и уменьшении минимальной температур рабочего тела. Но минимальная температура ограничена снизу — это температура окружающей среды. Чем ограничена сверху максимальная температура? Прочностью лопастей турбин — ибо прочность всех металлов падает с ростом температуры, а на движущиеся детали приходятся наибольшие нагрузки. Лопасти турбин ТЭС работают «на пределе», и одна из основных забот турбостроителей — получение материалов, обладающих высокой прочностью при высоких температурах. В лучших ТЭС достигнут КПД 35—40%.Если мы хотим увеличить КПД за счет повышения температуры рабочего тела, надо искать способ преобразования энергии горячего газа в электрическую энергию, не требующий от материалов высокой прочности.

 

 

 

 

 

 

ИСТОРИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

 В один из дней 1832 г. лондонцы, оказавшиеся на мосту Ватерлоо, были заинтересованы необычным зрелищем. Группа людей, среди которых можно было увидеть знаменитого физика Фарадея, занималась тем, что погружала в воду Темзы два медных листа, подключенных проводами к гальванометру.

  Прибор стоял на столике посреди моста, а возле него находился сам ученый, отдававший распоряжения своим помощникам. Фарадей считал, что если воды реки, текущей с запада на восток, пересекают, хотя бы частично, магнитное поле Земли, то они подобны проводникам, пересекающим магнитное поле магнита. А в этом случае, как доказал сам Фарадей, в проводнике возникает электрический ток. Медные листы, между которыми, как между металлическими берегами, текла вода Темзы, должны были соединить эти водяные проводники с гальванометром, и передать на него возникающий ток. Однако, увы, опыт не удался. Тем не менее, в 1832 г., когда Фарадей задумал и обосновал этот опыт, с полным основанием можно считать годом рождения магнитогидродинамического генератора. Название этого генератора состоит из трех слов -  магнит, гидро (вода) и динамика (движение) – и означает получение электричества при движении воды в магнитном поле.

Так почему же не удался опыт Фарадея? Прежде всего потому, что вода Темзы оказалась не таким уж хорошим проводником электричества, были использованы приборы с низкой чувствительностью. А разность потенциалов существовала, и она была измерена спустя 19 лет физиком Волластоном. И тогда же Уильям Томсон (лорд Кельвин) предложил использовать этот эффект для преобразования энергии движения морской воды во время приливов в электрическую энергию. Так были заложены идейные основы нового метода преобразования энергии, который дает возможность использовать природное топливо с большим КПД, чем в традиционных ТЭС. Этот метод называют магнитогидродинамическим.

Устройство

 Магнитогидродинамический генератор - устройство для преобразования кинетической энергии жидкой или электропроводящей среды, движущейся в магнитном поле, в электрическую энергию. Оно основано на явлении электромагнитной индукции, т. е. возникновении тока в проводнике, пересекающем магнитные силовые линии; в качестве движущегося в магнитном поле проводника используется плазма или проводящая жидкость (электролиты и жидкие металлы).           

 

 

Представим себе трубу, сделанную из электроизолирующего материала и имеющую на двух противоположных стенках изнутри проводящие электроды. Труба помещена в магнитное поле. Внутри трубы движется струя горячего газа. Такова принципиальная схема магнитогидродинамического генератора — МГД-генератора. (Движение горячей струи газа во многих отношениях похоже на движение жидкости. Отсюда — название и самого метода, и генератора.) В МГД-генераторе механическая энергия движущегося горячего газа преобразовывается в электрическую энергию. Посмотрим, как это делается. Пусть для определенности газ в МГД-канале (так называют трубу с электродами на внутренних стенках) движется слева направо со скоростью , а индукция магнитного  поля направлена так, как показано на рисунке. Если в газе, движущемся по МГД-каналу, есть свободные электроны, то под действием силы Лоренца   они будут дрейфовать в газе по направлению к ближайшему к нам (на рисунке) электроду и скапливаться на нем. В результате между электродами на стенках МГД-канала будет создаваться разность потенциалов. Если мы подключим к электродам какую-нибудь электрическую нагрузку, то по цепи нагрузки будет протекать ток .Итак, задача решена — поместив поток горячего газа в трубу с двумя электродами и магнитное поле, мы сделали генератор электрической энергии. Механизм возникновения тока в МГД-генераторе такой же, как и в любом электрическом генераторе — ток возникает в проводнике, движущемся в магнитном поле. Но только в электрических генераторах эти проводники металлические, твердые, а в МГД-генераторе это — горячий газ.

  « С первого взгляда эти генераторы устроены достаточно просто. В камере сгорания сжигается топливо, и в сопле, похожем на ракетное, продукты сгорания (газы), расширяясь, увеличивают свою скорость до сверхзвуковой. Это сопло находится между полюсами сильного электромагнита, а внутри сопла, на пути раскаленных газов, установлены электроды. Магнитное поле «сортирует» отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы газа, направляя их по разным траекториям. Эти потоки заряженных частиц вызывают появление электрических зарядов на соответствующих электродах, а если их соединить, то и электрический ток.

Действительно, в МГД генераторе нет движущихся частей, если, конечно, сам газ не считать частью машины. Но узких мест тоже немало.»[1]

Для создания электропроводности газа, его необходимо нагреть до температуры термической ионизации (около 10000 К). 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.1

 

Классификация

По источнику тепла:

• 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.

Двигатели кондукционного типа также могут быть выполнены двух типов: со свободный полем и каналового типа.

Принципиальная схема кондукционного движителя постоянного тока со свободным полем приведена на рис.1.

Поверхность внешнего корпуса состоит из чередующихся полюсов магнитной системы и электродов, к которым подводится напряжение постоянного тока. Биполярное поле затухает во внешнем пространстве (морской воде) по экспоненте и имеет глубину проникновения, равную . Тяга двигателя будет определяться интенсивностью магнитного поля и силой кондукционных токов. Как и в случае рассмотренных выше индукционных схем лучшей эффективности можно достичь в движителях кондукционного типа каналового типа. Схема такого двигателя представлена на рис.

  рис 2.     Внешний и внутренние корпусы являются электродами (изолированными), к которым подводится разность потенциалов, обусловливающая протекание токов через морскую воду в каналах. Электромагниты создают азимутальное магнитное поле. Тяга двигателя создается электромагнитными силами при взаимодействии токов с магнитным полем. Низкая проводимость морской воды и малые значения индукции магнитного поля не могут обеспечить приемлемых КПД и удовлетворительных скоростей хода.

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

Примером такого двигателя может служить схема, разработанная применительно к большой подводной лодке и представленная на рис. Индукторы, создающие бегущее магнитное поле от носа к корме подводной лодки, расположены между внешним и внутренним корпусами лодки.

 

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 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 коротко замкнуты, 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.