Использование: для производства электроэнергии. Технический результат заключается в повышении эффективности преобразования энергии. Генератор содержит корпус из диэлектрика, имеющий форму тора, с покрытием из сегнетоэлектрика, на внутренней поверхности полярная жидкость заполняет тор. Обмотки возбуждения соединены с источником переменного тока и создают бегущее магнитное поле, перемещающее полярную жидкость. В противолежащие стенки тора радиально встроена камера стабилизации движения полярной жидкости в виде полого цилиндра с обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока. В торе расположены электроды устройства ионизации полярной жидкости, подключенные к высоковольтному источнику периодического напряжения, выполненному из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии и индуктивного накопителя электроэнергии с управляемыми выключателями, на внешней поверхности тора размещена по крайней мере одна силовая обмотка с подключенным к ней молекулярным накопителем электроэнергии. 8 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт.
Известен МГД-генератор, содержащий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, открытые торцы которого служат для впуска и выведения жидкостной рабочей среды, электромагнитные обмотки, создающие магнитное поле, направленное перпендикулярно оси цилиндра, и размещенные в цилиндре электроды, установленные параллельно направлению магнитного поля (см. патент Японии N 2713216, кл. H 02 К 44/00, оп. 1998). В известном генераторе в качестве рабочей электропроводной среды, перемещающейся вдоль оси цилиндра, используется морская вода, например, в виде морских волн, а электрическая нагрузка подключена к электродам.
Недостатком известного устройства является его низкая эффективность, обусловленная малой скоростью перемещения жидкости в полом цилиндре и низкой электропроводностью естественной морской воды.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному является магнитогидродинамический генератор, содержащий корпус из немагнитного материала, имеющий форму тора, с диэлектрическим покрытием на внутренней стенке и электромагнитную систему, состоящую из обмоток возбуждения и силовых обмоток, подключенных к нагрузке (см. патент РФ N 2109353, кл. H 02 К 44/00, оп. 1998).
В известном генераторе в качестве рабочей среды, заполняющей тороидальный канал, используется высокотемпературный газ, который вводится в канал из камер сгорания, снабженных устройствами импульсного введения в них топлива и окислителя. Камеры сгорания распределены по длине тора и встроены в его стенку, при этом в тороидальном канале размещены термоэлектроды, расположенные в соответствующих зонах расположения обмоток возбуждения.
Недостатком известного МГД-генератора является недостаточно высокая эффективность преобразования энергии перемещающейся высокотемпературной электропроводной среды в электрическую энергию вследствие ограниченного объема, занимаемого в тороидальном пространстве ионизированным высокотемпературным газом, и низкой электропроводности рабочей среды. Кроме того известный генератор имеет низкую эксплуатационную надежность, поскольку высокотемпературная рабочая среда взаимодействует с внутренними поверхностями камер сгорания и тора и элементами, размещенными в них. Эксплуатационная надежность снижается также вследствие сложности конструкции системы получения высокотемпературной рабочей среды.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования энергии магнитогидродинамическим генератором при одновременном увеличении его эксплуатационной надежности.
Решение указанной задачи обеспечивается новым МГД- генератором, содержащим корпус из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика, а внутренняя полость заполнена полярной жидкостью, соединенные с источником переменного тока электромагнитные обмотки возбуждения, создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, устройство ионизации полярной жидкости, состоящее из электродов, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с управляемым выключателем, по крайней мере одну присоединенную к нагрузке силовую обмотку, охватывающую внешнюю поверхность тора, с подключенным к ней молекулярным накопителем получаемой электроэнергии и камеру стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, встроенного радиально в противолежащие стенки тора, при этом цилиндр охвачен электромагнитной обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока; при этом предпочтительно: обмотки возбуждения размещать в полярной жидкости; обмотки возбуждения выполнять в виде секций, равномерно распределенных по длине тора; электроды устройства ионизации равномерно распределять по длине тора; внутреннюю поверхность цилиндра выполнять с покрытием из сегнетоэлектрика; электромагнитные обмотки, управляемое зарядное устройство, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем выполнять в виде единого функционального блока; в генератор дополнительно ввести блок управления на микропроцессорах, соединенный с зарядным устройством, выключателем молекулярного накопителя электроэнергии, выключателем индуктивного накопителя электроэнергии и с электромагнитными обмотками возбуждения; генератор дополнительно снабжать системой замены полярной жидкости; систему замены полярной жидкости выполнять в виде по крайней мере одного патрубка с вентилем; корпус выполнять разъемным и дополнительно использовать в виде системы замены полярной жидкости, при этом разъемный корпус использовать при замене диэлектрического покрытия, электромагнитных обмоток и электродов.
Использование в качестве рабочей среды, заполняющей тороидальный канал корпуса, полярной жидкости позволяет посредством ионизации обеспечивать высокую электропроводность рабочей среды и эксплуатировать генератор при сравнительно низких температурах, например при температурах ниже температуры кипения полярной жидкости, в качестве которой может быть использована дистиллированная вода, что приводит к существенному повышению эксплуатационной надежности генератора. Выполнение покрытия на внутренней поверхности тора из сегнетоэлектрика обеспечивает повышение электропроводности полярной жидкости, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии. В качестве полярной жидкости может быть использована, например, дистиллированная вода или смесь дистиллированной воды и тяжелой воды. Сегнетоэлектрические вещества, например титанат бария, обладают повышенными значениями удельной диэлектрической проницаемости (более 6000 относительных единиц). При взаимодействии ионизированной полярной жидкости с покрытием из сегнетоэлектрика формируется мощное электрическое поле напряженностью порядка 10000 кВ/см и происходит пробой физического вакуума. При этом слой сегнетоэлектрика генерирует колебания частотой 25000 Гц, что способствует дальнейшему разложению молекулярных структур. Одновременно за счет бесконечных электростатических разрядов и пробоев в кавитационно-вакуумных структурах проходят реакции "холодного" ядерного синтеза с высвобождением значительной энергии (порядка 6 кДж/моль). Это приводит к ускорению процесса ионизации полярной жидкости и существенному повышению ее электропроводности. Кроме того, с поверхности сегнетоэлектрического потока полярной жидкости постоянно удаляются незавершенные электрические связи и благодаря этому в ней формируется упорядоченный поток электронов. Введение в состав генератора устройства ионизации полярной жидкости, выполненного в виде электродов, распределенных по длине тороидального канала и подключенных к высоковольтному источнику периодического напряжения, позволяет обеспечить значительное увеличение электропроводности рабочей среды, циркулирующей в тороидальном канале, что также приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Циркуляция ионизированной полярной жидкости в тороидальном канале обеспечивается посредством электромагнитных обмоток возбуждения, выполняемых обычно в виде секций, распределенных по длине тора и подключенных к источнику переменного тока, при этом обмотки возбуждения создают бегущее магнитное поле. Для уменьшения потерь, обусловленных рассеянием магнитного поля, обмотки возбуждения предпочтительно размещать в полярной жидкости, заполняющей тороидальный канал, что будет способствовать повышению преобразования энергии. Движение жидкости при этом стабилизируется при помощи камеры, имеющей форму полого цилиндра, который радиально встроен в противолежащие стенки корпуса, и ось цилиндра проходит через центральную зону тора. Полярная жидкость, заполняющая цилиндр, сглаживает возмущения, возникающие в потоке полярной жидкости в процессе ее периодической ионизации высоковольтными разрядами. Использование электромагнитной обмотки, охватывающей внешнюю поверхность цилиндра и подключенной к источнику постоянного тока, позволяет сформировать постоянное магнитное поле, взаимодействие которого с потоком ионизированной жидкости приводит к дополнительному увеличению эффективности преобразования энергии. Выполнение высоковольтного источника периодического напряжения в устройстве ионизации полярной жидкости в виде параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным к нему управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным к нему управляемым выключателем позволяет обеспечить формирование мощных высоковольтных импульсов (за счет значительной электрической емкости молекулярного накопителя) с крутыми фронтами нарастания напряжения, обеспечиваемыми наличием индуктивного накопителя. Равномерное распределение электродов устройства ионизации полярной жидкости по длине тора позволяет равномерно ионизировать весь объем рабочей среды. Предпочтительно выполнять электромагнитные обмотки, управляемое зарядное устройство, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем в виде единого функционального блока, что позволяет упростить конструкцию генератора и повысить его эксплуатационную надежность. Введение в состав генератора блока управления на микропроцессорах, подключаемого к зарядному устройству, выключателю молекулярного накопителя электроэнергии и к выключателю индуктивного накопителя электроэнергии, обеспечивает надежное функционирование устройства ионизации полярной жидкости при заданных параметрах и регулирование величины вырабатываемой генератором электроэнергии, например, за счет регулирования периодичности высоковольтных импульсов.
Предпочтительно вводить в состав генератора систему замены полярной жидкости, например, выполняемую в виде патрубков, снабженных вентилями, что позволяет обеспечить постоянную или периодическую замену полярной жидкости, заполняющей тор, и тем самым обеспечить бесперебойное функционирование генератора. При выполнении системы замены полярной жидкости в виде разъемного корпуса, кроме того, возможна замена сегнетоэлектрического покрытия, электродов системы ионизации и электромагнитных обмоток возбуждения после длительной эксплуатации генератора.
Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 - общий вид МГД- генератора, фиг. 2 - поперечное сечение генератора.
Магнитогидродинамический генератор содержит: корпус 1 из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием 2 из сегнетоэлектрика, а внутренняя полость заполнена полярной жидкостью 3, устройство ее ионизации, состоящее из электродов 4, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства 5, молекулярного накопителя электроэнергии 6 и индуктивного накопителя электроэнергии 7, к которым последовательно подключены соответственно управляемые выключатели 8 и 9, электромагнитные обмотки возбуждения 10, размещенные в полярной жидкости и соединенные с источником переменного тока (не показан), создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, камеру 11 стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, радиально встроенного в противолежащие стенки тора (см. фиг. 1), по крайней мере одну силовую обмотку 12, присоединенную к нагрузке и охватывающую внешнюю поверхность тора, к которой подключен молекулярный накопитель электроэнергии 13, электромагнитную обмотку 14, охватывающую внешнюю поверхность цилиндра и подключенную к источнику постоянного тока 15.
Корпус 1, имеющий форму тора, изготавливается из диэлектрического материала, например из стеклопластика или оргстекла, при этом внутренняя поверхность тора выполнена с покрытием 2 из сегнетоэлектрика, в качестве которого может использоваться титанат бария. Тор 1 может быть выполнен герметичным. В противолежащие стенки тора 1 встроен полый цилиндр 11, изготавливаемый из того же материала, что и тор. Внутреннюю поверхность цилиндра 11 предпочтительно выполнять с покрытием из сегнетоэлектрика, при этом цилиндр 11 проходит через центральную зону тора 1. Внутренние полости тора 1 и цилиндра 11 частично или полностью заполняются полярной жидкостью, например смесью, состоящей из дистиллированной и тяжелой воды, при этом количество тяжелой воды составляет 5-10% вес. от общего веса смеси. Электромагнитные обмотки возбуждения 10 предпочтительно выполнять в виде секций, равномерно распределенных по длине тора 1. Обмотки 10 предпочтительно размещать в полярной жидкости 3, заполняющей тор 1. Электроды 4 устройства ионизации полярной жидкости изготавливаются из твердосплавных материалов. В качестве молекулярных накопителей электроэнергии 6 или 13 предпочтительно использовать отечественные накопители (см. Иванов А.М. и Герасимов А.Ф. "Молекулярные накопители электрической энергии на основе двойного электрического слоя", "Электричество", 1991, N 8, с.с. 16-19). Управляемые выключатели 8,9 предпочтительно выполнять из полупроводниковых элементов, например из тиристоров, что позволяет упростить силовые цепи и повысить эксплуатационную надежность устройства ионизации полярной жидкости.
Заявленный МГД-генератор работает следующим образом. Частично ионизированную полярную жидкость 3, заполняющую внутреннюю полость тора 1, дополнительно периодически ионизируют посредством высоковольтных разрядов, возникающих между электродами 4, которые запитывают от молекулярного накопителя электроэнергии 6 и от индуктивного накопителя электроэнергии 7, периодически заряжаемых в паузах между разрядами от управляемого зарядного устройства 5. При этом разряды могут производиться от молекулярного накопителя электроэнергии 6 после замыкания сигналом, поступающим с блока управления (не показан) выключателя 8 при разомкнутом выключателе 9. Разряды могут производиться и от индуктивного накопителя электроэнергии 7, который предварительно заряжается от накопителя 6 при размыкании управляемого выключателя 9. С помощью электромагнитных обмоток возбуждения 10, подключенных к источнику переменного тока (не показан) в полярной жидкости 3 формируется бегущее магнитное поле, которое создает движение полярной жидкости в одном направлении по тороидальному каналу корпуса 1. За счет электромагнитной индукции в силовых обмотках 12 наводится ЭДС и в полезную электрическую нагрузку поступает вырабатываемая генератором энергия. Одновременно производится подзарядка молекулярных накопителей электроэнергии 13, являющихся буферными элементами между силовыми обмотками 12 (на чертеже указана только одна из них) и нагрузкой, которая может содержать импульсные и повторно-кратковременные потребители энергии. Камера 11 стабилизирует поток движения полярной жидкости 3 в тороидальном канале 1, при этом используется взаимодействие электронных зарядов цилиндра 11 с зарядами в торе 1. В тороидальном канале 1 возникают свободные электроны, при этом выделяется избыточная энергия в полярной жидкости 3 и в слое сегнетоэлектрика, которые подлежат замене по мере расходования.
В сравнении с известным заявленный МГД-генератор позволяет повысить эффективность преобразования энергии более чем на 10%. Кроме того, за счет существенного снижения температуры рабочей среды генератора и упрощения его конструкции увеличилась эксплуатационная надежность генератора. Заявленный генератор является компактным устройством, не требующим постоянного обслуживания, при этом он может использоваться в передвижных установках и имеет срок службы не менее 10 лет.
1. МГД-генератор, содержащий корпус из диэлектрического материала, имеющий форму тора, внутренняя поверхность которого выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика и заполнена полярной жидкостью, соединенные с источником переменного тока обмотки возбуждения, создающие бегущее магнитное поле в полярной жидкости, устройство ионизации полярной жидкости, состоящее из электродов, размещенных в полярной жидкости, и подключенного к ним высоковольтного источника периодического напряжения, выполненного из параллельно включенных управляемого зарядного устройства, молекулярного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным управляемым выключателем и индуктивного накопителя электроэнергии с последовательно подключенным управляемым выключателем, по крайней мере, одну присоединенную к нагрузке силовую обмотку, охватывающую внешнюю поверхность тора, с подключенным к ней другим молекулярным накопителем электроэнергии, и камеру стабилизации движения полярной жидкости, выполненную в виде полого цилиндра, встроенного радиально в противолежащие стенки тора, и охваченного электромагнитной обмоткой, подключенной к источнику постоянного тока.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что обмотки возбуждения размещены в полярной жидкости.
3. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что обмотки возбуждения выполнены в виде секций, равномерно распределенных по тору.
4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электроды устройства ионизации равномерно распределены по тору.
5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность цилиндра камеры стабилизации движения полярной жидкости выполнена с покрытием из сегнетоэлектрика.
6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что электромагнитные обмотки, молекулярный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем и индуктивный накопитель электроэнергии с управляемым выключателем выполнены в виде единого функционального блока.
7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен системой замены полярной жидкости.
8. Генератор по п. 7, отличающийся тем, что система замены полярной жидкости выполнена в виде, по крайней мере, одного патрубка с вентилем.
Способ исследования электрического разряда в мгд-канале фарадеевского типа и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области электротехники и МГД техники и может быть использовано в индукционных электромагнитных насосах для перекачивания жидкометаллических теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, в химической и металлургической промышленности, а также в магнитогидродинамических машинах и линейных индукционных двигателях
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.
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.
Рис. 3.7-Схема магнитогидродинамической установки
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 150 0 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%.
Первый магнитогидродинамический генератор тока был испытан еще в 1832 г., английским физиком М. Фарадеем, который пытался обнаружить возникновение электродвижущей силы (ЭДС) между двумя электродами, опущенными в воды реки Темзы вблизи моста Ватерлоо в Лондоне. Действительно, согласно только что открытому Фарадеем закону электромагнитной индукции, движение проводника (в данном случае слабо солоноватой речной воды) в магнитном поле Земли должно было сопровождаться возникновением ЭДС и электрического тока в проводниках, соединяющих электроды. Измерительная техника, которой обладал Фарадей, не позволила ему обнаружить ожидаемый эффект, но по существу данный эксперимент содержал все принципиальные элементы современного МГД-генератора тока: движущееся по каналу проводящее вещество, поперечное магнитное поле, токосъемные электроды.
Эффект электромагнитной индукции используется и в обычных источниках тока - элек-тромашинных генераторах, где поперек магнитного поля движутся жесткие проводники, размещенные на вращающемся роторе. В отличие от них в МГД-генераторе жесткие проводники заменены проводящей жидкостью или газом. Какие преимущества при этом возникают? Ротор электромашинного генератора вращает паровая турбина или другой тепловой двигатель, в котором тепловая энергия превращается в механическую. МГД-генератор позволяет непосредственно превращать тепловую энергию в электричество без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания.
Почему же до сих пор используют обычные генераторы? Проблема заключается в создании необходимого «рабочего тела» для МГД-генераторов. Жидкие металлы неудобны в обращении, да и не так просто заставить их двигаться по каналу с большими скоростями. Поэтому МГД-генераторы на жидких металлах не получили широкого распространения. Чаще применяются МГД-насосы для жидких металлов и других проводящих жидкостей, устройства, где электрический ток вызывает движение проводящей жидкости, а не наоборот, как в генераторе. Проводимость же газов ничтожно мала. Она возрастает лишь тогда, когда газ, нагреваясь, начинает ионизоваться и превращаться в плазму. Но для получения достаточной электропроводности даже при использовании самых легко ионизуемых веществ - паров щелочных металлов - необходимы температуры в 2000-3000° С. Такие высокие температуры достигаются в струе ракетного двигателя, и на его основе, действительно, получаются хорошие МГД-генераторы, компактные и очень мощные устройства. Однако токосъемные электроды таких генераторов при столь высоких температурах могут работать лишь очень короткое время - секунды или в лучшем случае десятки секунд. С использованием ракетных двигателей уже созданы МГД-генераторы, рассчитанные на очень большие мощности и малую длительность работы.
Они нзходят применение, например, для геофизических исследований.
Для того чтобы использовать МГД-генера-торы в большой энергетике, необходимо найти способ получения хорошей электропроводности газа при значительно более низких температурах (желательно не выше 1000°), которые могут быть достигнуты в современных высокотемпературных атомных реакторах. В принципе это возможно. Можно иметь неравные температуры ионов и электронов плазмы, например в газоразрядных лампах. Более высокая температура электронов может поддерживаться за счет их нагрева протекающим по плазме электрическим током. Такое состояние плазмы в канале МГД-генератора оказывается, однако, неустойчивым. Плазма разбивается на слои - с хорошей и плохой проводимостью, и общая проводимость при этом оказывается малой. (При последовательном соединении проводников их общее сопротивление определяется сопротивлением самого плохого проводника.) Пока не доказано, что возникающая неустойчивость неустранима, и работы в этом направлении продолжаются. Одновременно продолжаются исследования с целью снижения требований к температуре газа и повышения стойкости и рабочего ресурса электродов при повышенных температурах. Электростанции с мощными МГД-генераторами можно было бы использовать для покрытия пиковых нагрузок в электросетях. Первая промышленная МГД-электростанция строится сейчас в нашей стране.
n1.docx
Государственное образовательное учреждениевысшего профессионального образования
«Уфимский государственный авиационный технический университет»
Реферат
по истории теплоэнергетике и теплотехнике на тему:
«Магнитогидродинамический генератор»
Выполнил: студент гр.
Проверил:
Уфа 2012г.
Содержание.
Введение……………… …………………………………………1
История изобретения……………………………….....................3-4
Устройство…………………………………………… ………….4-6
Классификация………………………………………. ………….7-12
Характеристики ………………………………………………….13
Электрические станции с МГД-генератором…………………..14
Достоинства и недостатки……………………………………… 15-17
Использованная литература……………………………………..18
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.»
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.
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.
По форме канала
Линейные - для кондукционных и индукционных генераторов;
Дисковые и коаксиальные холловские - в кондукционных;
Радиальные - в индукционных генераторах.
По системам соединений электродов
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
Скорость потока
Индукция магнитного поля
Электростанции с магнитогидродинамическими генераторами.
Принцип работы электростанции с МГД генераторами
Топливо и легкоионизируемую присадку, в качестве которой используют К2СО3, вводят в камеру сгорания, куда одновременно подается воздух
посредством компрессора. Для подогрева воздуха используют специальный воздухонагреватель. Продукты сгорания, представляющие собой ионизированный газ, попадают в МГД-канал. Магнитная система создает поле значительной напряженности, линии которого пронизывают МГД-канал. Ионы осаждаются на токосъемниках, которые создают напряжение постоянного тока. Для его преобразования в переменное напряжение используют инвертор. Выхлоп МГД-канала, температурой 2000˚С попадает в котел, где происходит нагревание воды. Вращение генератора осуществляется посредством пароводяного контура, состоящего из турбин и конденсатного насоса. По сравнению с тепловой станцией, КПД которой равен 40%, коэффициент полезного действия вышеуказанного цикла может составлять 50-60%, что достигается за счет более полного использования и срабатывания тепловой энергии продуктов сгорания.
Преимущества МГД–генераторов.
Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65% Высокая маневренность.
Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.
В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку "У–02", работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки "У–25", которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на "У–02". Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.
В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.
Использованная литература
Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
Рыжкин В.Электростанции газотурбинные, парогазовые, атомные и с МГД-генераторами//Тепловые электрические станции,1975,гл 25
Тамоян Г.С Учебное пособие по курсу "Специальные электрические машины " – МГД-машины и устройства.
Каулинг Т . Магнитная гидродинамика. М.: Изд–во МИР, 1964. 80 с.
Относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт. Технический результат заключается в использовании водяного топлива путем диссоциации воды на водород и кислород и сжигания этого водорода, а также в том, что корпус одновременно выполняет функцию камеры сгорания благодаря выполнению корпуса в виде сопла Лаваля. Это дает возможность соединять несколько МГД-генераторов в последовательную или последовательно-параллельную цепь с образованием батареи МГД-генераторов с целью увеличения мощности генерируемой электроэнергии. МГД-генератор содержит корпус 1, выполненный в виде сопла Лаваля, форсунку 2 для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды 3 для создания высоковольтной дуги, магнитную систему 4, расположенную в области расширяющейся части (диффузора) сопла, и средство 5 съема электрического тока (электроды). Средство 5 может быть выполнено индукционным (т.е. безэлектродным). МГД-генератор также содержит дополнительную форсунку 6 для подачи воды или водяного пара в сопло 1 в области его сужающейся части. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Рисунки к патенту РФ 2516433
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в магнитогидродинамических генераторах, преимущественно вырабатывающих электрическую энергию в десятки или сотни кВт.
Уровень техники
Известен МГД-генератор, содержащий корпус, выполненный в виде полого цилиндра, открытые торцы которого служат для впуска и выведения жидкостной рабочей среды, электромагнитные обмотки, создающие магнитное поле, направленное перпендикулярно оси цилиндра, и размещенные в цилиндре электроды, установленные параллельно направлению магнитного поля (см. патент Японии N 2713216, кл. Н02К 44/00, оп. 1998). В известном генераторе в качестве рабочей электропроводной среды, перемещающейся вдоль оси цилиндра, используется морская вода, например, в виде морских волн, а электрическая нагрузка подключена к электродам.
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного технических решений, заключаются в наличии корпуса, магнитной системы (электромагнитные обмотки, создающее магнитное поле) и средства съема электрического тока (размещенные в цилиндре электроды, установленные параллельно направлению магнитного поля).
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что корпус выполнен в виде цилиндра, а в качестве рабочей среды используется морская вода.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является МГД-генератор, содержащий камеру сгорания углеводородного топлива, предназначенную для генерирования рабочего тела, корпус, выполненный в виде диффузора, соединенного своим входом с камерой сгорания, обмотку электромагнита, расположенную в области диффузора, а также электроды, установленные в диффузоре вдоль потока рабочего тела (Политехнический словарь / Редкол.: А.Ю.Ишлинский (гл. ред.) и др. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000. - С.283).
Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии камеры сгорания, корпуса, выполненного в виде диффузора, магнитной системы (обмотка электромагнита) и средства съема электрического тока (электроды, установленные в диффузоре вдоль потока рабочего тела).
Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в использовании углеводородного топлива и в выполнении камеры сгорания и корпуса в виде отдельных устройств.
Сущность изобретения
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении конструкции, повышении мощности и снижении себестоимости генерируемой электроэнергии.
Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в использовании водяного топлива путем диссоциации воды на водород и кислород и сжигания этого водорода в среде этого кислорода, а также в том, что корпус одновременно выполняет функцию камеры сгорания благодаря выполнению корпуса в виде сопла Лаваля. Это дает возможность соединять несколько МГД-генераторов в последовательную или последовательно-параллельную цепь с образованием батареи МГД-генераторов с целью увеличения мощности генерируемой электроэнергии.
Достигается технический результат тем, что МГД-генератор содержит корпус, выполненный в виде сопла Лаваля, по крайней мере одну форсунку для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды для создания высоковольтной дуги, магнитную систему и средство съема электрического тока, при этом упомянутые электроды для создания высоковольтной дуги установлены во входной части сопла Лаваля, а упомянутые магнитная система и средство съема электрического тока установлены в области расширяющейся части сопла Лаваля.
Достигается технический результат также тем, что МГД-генератор содержит как минимум одну дополнительную форсунку для подачи воды или водяного пара в сопло Лаваля в области его сужающейся части.
Новизна заявленного технического решения заключаются в том, что корпус представляет собой сопло Лаваля, работающее на водяном топливе.
Перечень фигур чертежей
На прилагаемой фигуре схематично показан МГД-генератор.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
МГД-генератор содержит корпус 1, выполненный в виде сопла Лаваля, по крайней мере одну форсунку 2 для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды 3 для создания высоковольтной дуги, установленные во входной части сопла 1, магнитную систему 4, выполненную в виде обмотки электромагнита, расположенной в области расширяющейся части (диффузора) сопла, и средство 5 съема электрического тока, выполненное в виде электродов, размещенных в расширяющейся части сопла 1 вдоль потока рабочего тела. При этом средство 5 может быть выполнено индукционным (т.е. безэлектродным). Кроме того, МГД-генератор содержит как минимум одну дополнительную форсунку 6 для подачи воды или водяного пара в сопло 1 в области его сужающейся части.
Работа МГД-генератора заключается в следующем.
В сопло Лаваля 1 при помощи форсунки 2 подают воду или водяной пар. Электроды 3 подключают к источнику тока высокого напряжения (не показан). В результате прохождения тока в сопле 1 (в его входной части) происходит разложение воды на водород и кислород и последующее сгорание водорода с образованием в сопле 1 плазмы, температура которой достигает 6000°С. Данная плазма является рабочим телом МГД-генератора, которое далее через сужающуюся часть сопла поступает в его диффузор (расширяющуюся часть). Попутно в этот поток плазмы через форсунку 6 поступает дополнительная вода или дополнительный водяной пар. Эта дополнительная вода (или водяной пар) разлагается под действием высокой температуры плазмы с образованием кислорода и водорода, который сгорает, в результате чего общий объем плазмы, поступающей далее в диффузор (расширяющуюся часть) сопла 1, значительно возрастает. При движении плазмы через диффузор (расширяющуюся часть) сопла 1 эта плазма попадает в магнитное поле, образуемое магнитной системой 4. В результате в этой плазме, являющейся рабочим телом МГД-генератора, индуцируется электрический ток, который при помощи средства 5 съема электрического тока отводится в электрическую цепь (не показана).
Такая конструкция МГД-генератора дает возможность соединять несколько МГД-генераторов в последовательную или последовательно - параллельную цепь с образованием соответствующей батареи МГД-генераторов для увеличения результирующей мощности. В этом случае электрический ток, вырабатываемый предыдущим МГД-генератором цепи, поступает в последующий МГД-генератор данной цепи как для получения в этом последующем МГД-генераторе высоковольтной дуги, так и для создания в его расширяющейся части магнитного поля (наряду со стационарными магнитами).
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. МГД-генератор, содержащий корпус, выполненный в виде сопла Лаваля, по крайней мере одну форсунку для подачи воды или водяного пара на вход этого сопла, электроды для создания высоковольтной дуги, магнитную систему и средство съема электрического тока, при этом упомянутые электроды для создания высоковольтной дуги установлены во входной части сопла Лаваля, а упомянутые магнитная система и средство съема электрического тока расположены в области расширяющейся части сопла Лаваля.
2. МГД-генератор по п.1, который содержит как минимум одну дополнительную форсунку для подачи воды или водяного пара в сопло Лаваля в области его сужающейся части.
