МГД генератор МГД-генератор Фарадея с линейным соплом

МГД генератор

МГД-генератор Фарадея с линейным соплом и сегментированными электродами: entry — входное отверстие для подвода рабочего тела (ионизированного газа); acceleration nozzle — сопло для увеличения скорости рабочего тела; solenoids — соленоиды для создания магнитного поля; segmented electrodes — электроды, разделённые на сегменты для уменьшения эффекта Холла; output — выходное отверстие для вывода рабочего тела; красная линия — направление движения положительно заряженных частиц; синяя линия — направление движения отрицательно заряженных частиц; B — магнитная индуция; I — электрический ток; v — скорость рабочего тела

Применение 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 (например, D + 3 He → p + 4 He + 18, 353 Мэ. В) 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

Разделение положительно (q>0) и отрицательно (q<0) заряженных частиц под действием магнитного поля B

Рабочее тело • Электролиты • Жидкие металлы • Плазма (ионизированный газ)

Принцип работы

Классификация: • По продолжительности работы • • С длительным временем работы Кратковременного действия Импульсивные Взрывные • По источникам тепла • Реактивные двигатели • Ядерные реакторы • Теплообменные устройства • По рабочему телу • • • Продукты сгорания ископаемых топлив Инертные газы с присадками щелочных металлов Пары щелочных металлов Двухфазные смеси паров и жидих щелочных металлов Жидкие металлы и электролиты

• По рабочему циклу • С открытым циклом. Рабочее тело (продукты сгорания) смешивается с присадками (щелочными металлами), проходит через рабочую камеру МГДгенератора, очищается от присадок и выбрасывается в атмосферу; • С замкнутым циклом. Рабочее тело подаётся в теплообменник (получает тепловую энергию, возникшую при сжигании топлива), поступает в рабочую камеру МГД-генератора, проходит через компрессор и, замыкая цикл, возвращается в теплообменник. • По способу отвода тепла • Кондукционные — генерирующие постоянный или пульсирующий ток (в зависимости от величины изменения магнитного поля или скорости движения рабочего тела). В рабочем теле, протекающем через поперечное магнитное поле, возникает электрический ток. Ток замыкается на внешнюю цепь через съёмные электроды, вмонтированные в боковые стенки канала; • Индукционные — генерирующие переменный ток. В таких МГД-генераторах электроды отсутствуют, и требуется создание бегущего вдоль канала магнитного поля.

• По форме канала • Линейные • Дисковые и коаксиальные холловские • Радиальные • По конструкции • Фарадеевский генератор. Электроды выполнены сплошными или разделены на секции. Разделение на секции выполняется для уменьшения циркуляции тока вдоль канала и через электроды (для уменьшения эффекта Холла). В результате носители заряда движутся 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. Электроды расположены друг против друга и короткозамкнуты. Напряжение снимается вдоль канала за счёт наличия поля Холла. Применение таких МГД-генераторов наиболее выгодно при больших магнитных полях. За счёт наличия продольного электрического поля, можно получить значительное напряжение на выходе генератора; • Сериесный генератор. Электроды соединены диагонально

История В СССР первая лабораторная установка «У-02» , работавшая на природном топливе, была создана в 1965 году. В 1971 году была запущена опытнопромышленная энергетическая установка «У-25» , имеющая расчётную мощность 20— 25 МВт. «У-25» работала на продуктах сгорания природного газа с добавкой K 2 CO 3 в качестве ионизирующейся присадки, температура потока — около 3 000 К. Установка имела два контура: • первичный, разомкнутый, в котором преобразование тепла продуктов сгорания в электрическую энергию происходит в МГДгенераторе; • 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. Модель магнитогидродинамической установки У-25, Государственный Политехнический музей(Москва)

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 и недостатки Достоинства: • отсутствие подвижных узлов и деталей (нет потерь на трение); • возможность повысить КПД электростанций до 65 % (т. к. отработанный в МГД генераторе газ пригоден для выработки электроэнергии традиционными методами); • большие мощности (2 ГВт и более); увеличение мощности достигается путём увеличения объема установки и практически ничем не ограничено, так как с увеличением объёма роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнений, токов утечки) только уменьшается; • высокая маневренность; • снижение выброса вредных веществ, содержащихся в отработанных газах, с ростом КПД. Недостатки: • высокие требования к материалам электродов и стенок рабочей камеры (выдерживание температур 2 000 -3 000 К, устойчивость к химически активному и горячему ветру, имеющему скорость 1 000 -2 000 м/с); • вредные выбросы (продукты сгорания и примеси (например, цезий)). • В сочетании с паросиловыми установками, МГД-генератор позволяет получить большие мощности в одном агрегате, до 500— 1000 МВт.