Техника - молодёжи 1963-02, страница 9

В 1831 году Фарадей изучал явления, связанные с движением металлических проводников в магнитном поле. Однажды он поставил опыт, в котором твердый проводник был заменен ртутью, текущей в стек-лян и трубке между полюсами магнита, и обнаружил электрический ток в цепи электродов, установленных в трубке. Результаты опыта (навели Фарадея на мысль использовать приливные течения и реки, движущиеся в магнитном поле Земли. Однако проведенные на Темзе измерения не отметили сколько-нибудь заметного электрического тока.

В те годы больший успех сопутствовал широко распространенным теперь вращающимся генераторам электрического тока, поэтому об опытах Фарадея вскоре забыли. И только в последние 10—15 лет старая идея Фарадея вновь заинтересовала ученых.

САМЫЙ ПРОСТОИ ТУРБОГЕНЕРАТОР

Когда какой-либо проводник пересекает силовые линии магнитного поля, в нем наводится электрический ток. Обычно под проводником мы понимаем кусок металла, но его с успехом можно заменить электропроводящим газом, с большой скоростью проносящимся между полюсами сильного магнита. В этом случае электроэнергия получается за счет работы, совершаемой газом против сил поля.

Таков принцип действия магнитогидродинамического генератора (сокращенно — МГД-генератора). Процессы, происходящие в нем, сходны с проце хами в газовой турбине, только обычные металлические лопатки здесь как бы заменены «магнитными». Эти воображаемые лопатки имеют то преимущество, что они могут выдерживать любую температуру и не подвергаются механическим напряжениям, действующим на обычные лопатки. Аналогию с турбинами можно продолжить. Как известно, существуют два основных тина турбин — активные

ПРОБЛЕМЫ ЕЩЕ НЕ РЕШЕНЫ

Из устройства МГД-генератора вытекают условия его работы и основные технические проблемы: получение газа с высокой электропроводностью, сильного магнитного поля и материалов, способных длительное время противостоять высоким температурам. Эти проблемы необходимо решить для того, чтобы новая установка смогла конкурировать с другими источниками энергии. Хотя принципиально МГД-генератор очень прост, сколько-нибудь значительное количество электроэнергии было получено этим способом только в 1959 году. Для экспериментальных целей поток раскаленных газов создавался не сжиганием топлива, а продуванием аргона через электрическую дугу. При этом под действием высокой температуры в газах образуются заряженные частицы — ноны, которые делают его электропроводником.

Термическая ионизация — первая попытка решить проблему повышения электропроводности. Для нее необходимы высокие температуры газа, достигающие 3000^е С.

Чтобы получить такие температуры при сжигании обычного топлива, можно использовать два метода — предварительный подогрев и применение кислорода вместо воздуха. При современных методах теплопередачи один подогрев не дает необходимой температуры, а использование чистого кислорода неэкономично. Лучшие результаты получены комбинацией этих двух методов.

Однако только термической ионизации недостаточно для получения требуемой проводимости потока: слишком трудно ионизировать обычные газы. Поэтому решили увеличить проводимость среды присадкой щелочных металлов, цезия, калия, рубидия, образующих ионы при сравнительно невысоких температурах. Экономически целесообразно применение только калия.

Способы ионизации газа электрическим разрядом или впрыскиванием частиц, обладающих большим запасом энергии, пока не находят применения, так как необходимая для лих целей мощность превышает мощность, отдаваемую МГД-генератором.

ВДВОЕ УЛУЧШИТ

и реактивные. В последних газ расширяется как на неподвижных, так и на рабочих лопатках, поэтому скорость газов и их кинетическая энергия постоянны по всему каналу. Именно так работает и магнитогидродинамический генератор постоянного тока.

Активные же турбины работают иначе.

Газ расширяется в неподвижных каналах и с большой скоростью устремляется на рабочие лопатки, отдавая им свою кинетическую энергию. В активной турбине в отличие от реактивной уменьшается скорость, давление же остается постоянным.

Так же работают и МГД-генераторы переменного тока.

Теория МГД-генераторов очень близка теории турбин, поэтому величину электромагнитных сил и работу можно подсчитывать по формулам, мало отличающимся от тех, которые применяются в обычной газодинамике. Таким образом, МГД генератор может быть представлен как наилучший вид газотурбогенератора, с эффективной лопаточной температурой на 1000° С выше, чем в существующих машинах. Впрочем, эти генераторы пока еще не достигли такого уровня, чтобы их можно было применять на практике. Но есть два фактора, делающие их перспективными: простота кс нструкции и повышенный кпд за счет использования потока с высокой температурой. Когда температура понижается до 2000° С, МГД-генератор становится неэффективным. Однако газы еще содержат большое количество тепла, которое, очевидно, будет использовано в обычной тепловой электростанции (ТЭС).

Таким образом, МГД-генератор следует рассматривать как одну из трех последовательных ступеней ТЭС, работающую на сверхвысокой температуре (другие две ступени — газовая и паровая турбины). Общий кпд такого цикла может достигать 60—70%.

ЭКОНОМИЧНОСТЬ

Замкнутый цикл упрощает получение газа высокой проводимости. Например, в случае ядерного топлива проводящий газ (скорее всего гелий) подогревается в реакторе, ионизируется добавкой цезия и направляется в МГД-генератор. Так как в конце цикла цезий не выбрасывается, а полностью возвращается в цикл, необходимую проводимость можно получить увеличением количества цезия, снизив соответственно температуру потока. Хотя в этом случае проблема материалов для канала становится менее сложной, труднее обстоит дело с теплообменом и высокой температурой в реакторе. Высокая температура газа, необходимая для термической ионизации, — проблема № 1. Длительность работы экспериментальных установок исчисляется несколькими секундами и только в редких случаях — минутами, тогда как стационарные генераторы должны работать около 20— 30 лет. Для канала МГД-генератора нужны материалы, противостоящие высокотемпературным газам с парами цезия или калия и другими продуктами сгорания.

Иногда канал делают из циркония (температура плавления 2700^е С), а электроды — из силиконового карбид-графита. В МГД-генераторе мощностью в 200 квт использовался даже деревянный канал, внутренняя часть которого была обуглена высокой температурой: он охлаждался за счет разрушения собственной поверхности. Этот же метод используется и для охлаждения носовых конусов спутников при вхождении их в земную атмосферу: тепло идет главным образом на испарение материала с поверхности, а не на нагрев конуса или канала. Ожидается, что в ближайшее время на таком канале будет получена мощность в 500 квт.

Пока лучшими материалами являются тугоплавкие окислы циркония и тория, но они дороги и плавятся в присутствии щелочных металлов. Графит, нитриды и

Б