Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитогидродинамический генератор (МГД-генератор) - устройство, в к-ром за счёт явления электромагнитной индукции в канале с наложенным магн. полем внутр., тепловая или (и) кинетич. и потенциальная энергии потока электропроводящей среды преобразуются в электрич. энергию. Рабочим телом М. г. могут быть низкотемпературная плазма или проводящая жидкость (жидкие металлы, электролиты). Низкотемпературная плазма в М. г. представляет собой продукты сгорания природных или спец. топлив с легкоионизуемыми добавками соединений щелочных металлов или инертные газы также со щелочными добавками в равновесном или термически неравновесном состояниях. Используются М. г. в т. н. установках прямого преобразования энергии. Идея МГД-преобразования энергии была высказана М. Фарадеем (М. Faraday) ещё в 1831, а осн. принципы устройства совр. М. г. сформулированы в 1907-22, однако их практич. реализация оказалась возможной только в конце 50-х гг. в связи с развитием гл. обр. магн. гидродинамики, физики плазмы и аэрокосмич. техники.

Рис. 1. Схема линейного фарадеевского секционированного МГД-генератора: 1 - канал; 2 - электроды; 3 - межэлектродные изоляторы; 4 - боковые изоляционные стенки; 5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке.

Устройство и принцип действия. М. г. состоит (рис. 1-3) из канала, в к-ром формируется поток, индуктора, создающего стационарное или переменное (бегущее) магн. поле, системы съёма энергии с помощью электродов (кондукционные М. г.) или индуктивной связи потока с цепью нагрузки (индук-

Рис. 2. Схема дискового холловского МГД-генератора: 1 - обмотка индуктора; 2 - канал генератора; 3-подвод рабочего тела; 4-выходной холловский электрод; 5 - входной холловский электрод; 6 - нагрузка.

ционные М. г.). Каналы могут иметь разл. конфигурацию: быть линейными, дисковыми (с радиальным течением рабочего тела, вихревым), коаксиальными (в т. ч. с винтовым потоком) и др. Оптимальной в каждом конкретном случае является конфигурация, в к-рой вектор скорости потока перпендикулярен силовым линиям магн. поля для заданного типа магн. системы. Используемые в М. г. магн. системы выполняются либо на основе традиц. технологии со стальным магнитопроводом (для М. г. небольшого масштаба), либо безжелезными со сверхпроводящими обмотками. Эдс и ток, генерируемые в МГД-потоке при использовании любого проводящего рабочего тела, направленные нормально к вектору скорости и и магн. индукции В, наз. фарадеевскими. Если рабочим телом М. г. является достаточно разреженная плазма, в к-рой циклотронная частота для электронов сравнима или больше частоты их столкновений с нейтралами и ионами, то электроны между столкновениями в плазме успевают пройти заметную дугу по ларморовской окружности, т. е. они будут дрейфовать в направлении, перпендикулярном приложенным скрещенным элект-рич. и магн. полям. Как следствие этого дрейфа (Холла эффект)при замыкании цепи фарадеевского тока возникает холловская эдс, направленная по потоку, а электропроводность

становится тензорной величиной. При этом холловский ток снижает эффективную электропроводность

рабочего тела.

Рис. 3. Схема коаксиального индукционного МГД-генератора: 1 - подвод рабочего тела; 2 - мгновенная эпюра бегущего магнитного поля; 3 - наружный корпус канала МГД-генератора, на котором размещается волновая обмотка индуктора (статор); 4 - выхлоп; 5 - стенка и внутренний магнитопровод МГД-генератора.

Электрич. энергия в МГД-канале генерируется за счёт работы потока

(здесь - отнесённой к ед. объёма), совершаемой против объёмных сил эл--магн. торможения,

, где J - плотность полного тока. Полезное взаимодействие обусловлено только фарадеевской компонентой тока J_ф. В то же время генерируемая мощность выделяется в цепи как фарадеевского, так и холловского тока при соответствующем нагружении. По способу электрич. нагружения различают М. г.: 1) фарадеевского типа (рис. 1) с электродами, как правило, секционированными в продольном направлении при соответствующем секционировании нагрузки для предотвращения замыкания по ним холловского тока; 2) холловского типа (рис. 4, а), в к-ром фарадеевская цепь замкнута накоротко для увеличения холловского напряжения и тока в нагрузке; 3) сериесного, т. е. с последовательным соединением электродов, наз. также диагональным (рис. 4, б), где рабочими являются обе компоненты напряжения и тока. Фарадеевский секционированный М. г. обладает наилучшими электрич. характеристиками, но наименее удобен для использования из-за необходимости гальванич. развязки всех цепей нагрузки. Для холловского М. г. требуется единственная нагрузка, но в генераторе этого типа электрич. кпд

значительно ниже, чем у фарадеевского М. г. Диагональный М. г. имеет лишь несколько более сложную схему электрич. нагружения, чем холловский, но его характеристики почти такие же, как у фарадеевского. Способ электрич. нагружения М. г. в значит. мере связан с типом конструкции канала и магн. системы, и, в частности, нек-рые конфигурации М. г. предназначены для использования только одного из видов нагружения. Так, в дисковом холловском М. г. (рис. 2) круговой фара-деевский ток полностью замыкается по призме, кольцевые электроды на входе и выходе канала используются только для съёма холловского тока.

Рис. 4. Электрические схемы линейных МГД-генераторов: холловского (а) и диагонального (б) типов: 1 - электроды; 2 - канал; 3 - нагрузка.

В индукц. М. г. бегущее магн. поле создаёт в потоке рабочего тела токи разл. направления, образующие пространственно замкнутые петли, индуктивно связанные с сетевой обмоткой индуктора (статора), что обеспечивает передачу в сеть генерируемой электрич. мощности. При этом, однако, за счёт одноврем. изменения в потоке знака магн. поля и тока не изменяется направление действия пондеромоторной - тормозящей - силы. Существенным ограничением применения плазменных индукц. М. г. в сравнении с жидкометаллическими является малое значение (из-за относительно невысокой электропроводности плазмы) магн. числа Рейнольдса, к-рым определяется отношение активной и реактивной составляющих мощности М. г. Жидкометаллич. М. г. во многом подобны обычным асинхронным электрич. генераторам, в частности выполненные в конфигурации рис. 3.

Важнейшие характеристики М. г. при их использовании в энергетич. установках - мощность N, внутр. относительный кпд и коэф. преобразования энергии. Мощность в единице объёма определяется как

. Входящие в это выражение характерные величины

учитывают влияние на уровень генерируемой мощности джоулева тепловыделения, приэлектродных падений напряжения, электрич. утечек и, соответственно, неоднородностей распределения проводимости в поперечном сечении канала и токов Холла. Условием эффективной работы плазменного М. г. является уровень энерговыделения N

20-50 МВт/м³, при к-ром относит. потери за счёт теплоотдачи к стенкам и трения несущественны. При использовании термически равновесной плазмы, в к-рой проводимость очень сильно зависит от температуры, а разгон потока достигается за счёт срабатывания части его тепловой энергии, даже при В

5 Т (что в стационарных условиях возможно только при использовании сверхпроводящих магн. систем) необходима начальная температура

2500 °С. При этом в канале

~10 См/м режим течения - околозвуковой (и~ 1000 м/с).

При использовании в М. г. плазмы инертных газов за счёт индуцир. поля возможно повышение температуры электронов, значительное увеличение степени ионизации плазмы и её проводимости. Экспериментально показана возможность получения необходимой для работы М. г. проводимости плазмы при температуре

2000 К. Ведутся исследования и разработки этого типа М. г.

В жидкометаллич. М. г. проблемой является разгон рабочего тела до высоких скоростей, осуществляемый за счёт работы расширения пара металлов, ускорения им жидкой фазы и последующей конденсации пара в устройствах типа эжектора перед М. г. или путём сепарации жидкой фазы двухфазного потока, набегающего на клин. Эти процессы сопровождаются большой диссипацией энергии, кпд такого разгонного устройства ~10%, что определяет низкую результирующую эффективность преобразования работы расширения пара в электрич. энергию.

Внутр. относительный кпд характеризует отношение мощности М. г. к мощности гипотетич. преобразователя без диссипации энергии при одинаковом перепаде давления от входа де выхода устройства. В идеальном случае внутр. относительный кпд несколько ниже электрич. кпд. Оптимальное значение этого параметра для плазменного М. г. с большим срабатыванием температуры ~0,7; оно характеризует затраты энергии в термодинамич. цикле на сжатие рабочего тела.

Коэф. преобразования энергии в М. г.- это отношение произведённой электрич. энергии к энергии, подведённой к рабочему телу в плазменном М. г. или к пару жидкого металла в энергетич. установках с жидкометалич. М. г. Этот результирующий показатель оценивается на уровне 0,1 для плазменных мобильных, автономных энергетич. МГД-установок, 0,25- для крупных М. г. комбинир. теплоэлектрич. станций и 0,1 - для жидкометаллических.

Конструкция М. г. и организация течения в канале оказывают существенное влияние на характеристики М. г., прежде всего плазменных. Продольный холлов-ский ток, возникающий при резкой неоднородности проводимости в потоке, вследствие несовершенства электроизоляции, при недостаточно тонком продольном секционировании электродов и, в частности, из-за межэлектродного холловского пробоя, вызывает резкое снижение эффективной проводимости, а следовательно, и мощности. Осн. неоднородности в течение вносят пограничные слои, развивающиеся на стенках М. г. и имеющие тенденцию к "отрыву" при сильном торможении потока. В кондукц. М. г. в "холодной" области приэлектродного пограничного слоя возникает контракция тока, она сопровождается значит. падением напряжения и повышенной электродуговой эрозией электродов. С целью повышения эффективности М. г. за счёт снижения тепловых потерь на стенке и устранения дуговых явлений на электродах ведутся исследования и разработки "горячих" керамич. стенок с температурой ~2000 К.

Отсутствие в М. г. и устройствах нагрева рабочего тела (камере сгорания, теплообменных аппаратах регенеративного типа с неподвижной насадкой) движущихся механически нагруженных высокотемпературных элементов конструкции, а также возможность охлаждения стенок позволяют использовать М. г. в высокотемпературных циклах энергетич. установок для преобразования энергии с высоким кпд. Однако из-за резкого снижения эффективности плазменных М. г. при понижении температуры они используются в качестве высокотемпературной ступени бинарного цикла в составе комбинир. теплоэлектростанций (ТЭС) (в качестве надстройки к традиц. паросиловой установке).

Применение М. г. Для энергетики, базирующейся на использовании органич. топлива, перспективны и разрабатываются М. г. на плазме продуктов сгорания, применение к-рых в составе комбинированных МГД ТЭС открытого цикла даёт существ. экономию топлива и решает ряд экологич. проблем (уменьшение вредных выбросов, экономия охлаждающей воды). Опытно-промышленные разработки и исследования ведутся на МГД-установках У-25 (Москва) на газе и МО-10, МО-25 (Кохтла-Ярве, Эст.ССР) на угле соответственно тепловой мощностью-150 и до 25 МВт. Макс. электрич. мощность У-25 составляет ~20 МВт. Разработаны также автономные МГД-установки кратковрем. действия мощностью неск. десятков МВт на продуктах сгорания спец. твёрдых топлив, используемые для прогнозирования землетрясений методом периодич. глубинных зондирований земной коры, для геофиз. разведки полезных ископаемых и др.

М. г. замкнутого цикла (т. е. с внеш. подводом и отводом теплоты к рабочему телу), плазменные и (или) жидкометаллические, могут работать в энергетич. установках с газоохлаждаемым высокотемпературным ядерным реактором. В плазменных М. г. замкнутого цикла, работающих на неравновесной плазме, благодаря снижению температуры упрощается ряд технологич. проблем их конструкции. Разрабатываются также МГД-установки замкнутого цикла, использующие тепло продуктов сгорания традиционных энергетич. топлив.

Исследования и разработки М. г. широко развёрнуты в СССР, США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД-установка на угле тепловой мощностью

50 МВт.

Литература по магнитогидродинамическим генераторам (МГД-генераторам)

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.