7.8 Энергетические установки с мгд-генератором

По принципу действия магнитогидродинамический генератор аналогичен электрической машине, но роль движущегося проводника в нем играет не металлический провод (ротор), а струя плазмы (ионизированный газ) или жидкий металл.

Основными элементами МГД-канала являются: рабочий канал прямоугольного сечения, магнит, электроды, а также камеры сгорания и сопло, которые на рисунке не показаны. Рабочий канал МГД-генератора 1 (рис. 7.22) находится в магнитном поле магнита 2, силовые линии которого перпендикулярны к оси канала. Электропроводящий газ из сопла со скоростью 1000…1200 м/с поступает в рабочий канал генератора. При пересечении магнитных силовых линий в движущейся плазме возникают э.д.с. и электрический ток, т.е. в рабочем объеме МГД-генератора генерируется электроэнергия, которая отводится к потребителю с помощью электродов 3.

МГД-генераторы – устройства безмашинного преобразования теплоты в электрическую энергию. Теплота в них преобразуется в энергию электрического тока, минуя промежуточную стадию превращения теплоты в механическую работу. В отличие от паровых турбин в МГД-генераторах отсутствуют движущиеся элементы. Последнее позволяет работать при более высокой начальной температуре, которая как правило, составляет 2500…3000ºС, тогда как в паровых турбинах она не превышает 650ºС, а в газовых – 700…800ºС. Теплосиловые энергетические установки с МГД-генератором работают по открытому или закрытому циклу.

7.8.1 МГД-установка открытого цикла. На рис. 7.23 приведена принципиальная схема МГД-установки, работающей по открытому циклу. Воздух из компрессора 1 при давлении р₁ поступает в воздухоподогреватель 4, где нагревается при p₁ = const до температуры 1500…2000ºС продуктами сгорания, выходящими из МГД-генератора. Из воздухоподогревателя воздух подается в камеру сгорания 2, в которую одновременно поступает жидкое топливо. Образовавшиеся в камере продукты сгорания при температуре 2950…3050ºС поступают в МГД-генератор 3. Перед МГД-генератором в поток продуктов сгорания вводятся ионизирующие добавки. В рабочем канале МГД-генератора ионизирующие продукты сгорания адиабатно расширяются до давления p₂. Температура продуктов сгорания на выходе из МГД-генератора достигает 2300…2400ºС.

Из МГД-генератора продукты сгорания поступают в регенеративный теплообменник-воздухоподогреватель 4, где охлаждаются, подогревая воздух, подаваемый в камеру сгорания. Из воздухоподогревателя продукты сгорания поступают в парогенератор 5, где при p = const отдают теплоту воде, циркулирующей в паровом контуре. Пар, полученный в парогенераторе, поступает в паровую турбину 6, где, расширяясь, производит работу. Из турбины влажный пар поступает в конденсатор 7, где полностью конденсируется. Затем насосом 8 вода вновь подается в парогенератор 5. Не трудно видеть, что установка (рис. 7.22) бинарная, в которой в качестве верхнего цикла используется МГД-цикл с частичным использованием теплоты на регенерацию.

На рис. 7.24 в Т–s диаграмме приведен цикл МГД-установки, работающей по открытой схеме. Замкнутый контур 1-2-3-4-5-6-7-1 представляет магнитогидродинамическую, а 8-9-10-11-12-8 – пароводяную ступень цикла. При этом МГД-ступень цикла состоит из следующих процессов: 1-2 – адиабатное сжатие воздуха в компрессоре от давления p₂ до давления p₁; 2-3 – подвод теплоты к воздуху в воздухоподогревателе 4 при давлении p₁ = const; 3-4 – подвод теплоты в камере сгорания при постоянном давлении; 4-5 – адиабатное расширение продуктов сгорания в МГД-генераторе с производством работы (производит электроэнергию); 5-6-7-1 - отвод теплоты в цикле при p₂ = const, где 5-6 – отдача теплоты воздуху в воздухоподогревателе, поступающему в камеру сгорания из компрессора; 6-7 – отдача теплоты воде в парогенераторе 5; 7-1 – отдача теплоты в окружающую среду при p = const. Пароводяная ступень цикла включает процессы: 8-9 – нагрев воды в регенеративном теплообменнике до температуры кипения; 9-10 и 10-11 – парообразование и перегрев образовавшегося пара в парогенераторе; 11-12 – адиабатное расширение пара в турбине; 12-8 – конденсация пара с отводом теплоты в конденсаторе при постоянном давлении.

Пароводяной цикл построен для 1 кг воды, а МГД-цикл – для m кг рабочего тела. Кратность m определяется из уравнения теплового баланса парогенератора 5 (рис. 7.23)

m (i₆ – i₁) = i₁₁ – i₈ , откуда .

С учетом тепловых потерь в парогенераторе:

,

где η_tn – КПД паронагревателя, учитывающий тепловые потери в теплообменнике.

Термический КПД МГД-установки определяется по формуле, аналогичной уравнению для η_t бинарного цикла

_{ηt =} , (7.19)

где l_мгд и l_в – удельная работа соответственно магнитогидродинамического и пароводяного циклов; q₁ теплота, подводимая к 1 кг рабочего тела МГД-цикла.

Применительно к рис. (7.23) выражение (7.19) записывается следующим образом:

.

Расчеты показывают, что термический КПД МГД-установки η_t составляет 0,7 , а эффективный КПД η_эфф - 0,5…0,55, что на 10…15% выше КПД паротурбинных и газотурбинных установок.

7.8.2 МГД-установка замкнутого цикла (рис. 7.25). Рабочее тело сжимается в компрессоре 1 от давления p₂ до p₁ и подается в ядерный реактор 2, где нагревается от температуры Т₂ до Т₃. Из реактора рабочее тело поступает в рабочий канал МГД-генератора 3, в котором адиабатно расширяется от давления p₁ до p₂ и совершает работу. После МГД-генератора рабочее тело поступает в парогенератор 4, где передает теплоту воде – рабочему телу пароводяного контура. Далее рабочее тело охлаждается в водяном теплообменнике 5 и поступает в компрессор. Образующийся в парогенераторе 4 водяной пар поступает в паровую турбину 6 и, расширяясь в ней, производит полезную работу. Отработанный пар поступает в конденсатор 7, где конденсируется, а конденсат при помощи насоса 8 снова подается в парогенератор 4.

На рис. 7.26 приведен термодинамический цикл МГД-установки. Здесь 1-2 – адиабатное сжатие газа в компрессоре; 2-3 – подвод теплоты при p₁ = const в реакторе; 3-4 – адиабатное расширение с отдачей работы в МГД-генераторе; 4-5 – отвод теплоты при p₂ = const в парогенераторе; 5-1 – отвод теплоты при p₂ = const в водяном теплообменнике. Полезная удельная работа всей установки численно равна сумме площадей 1-2-3-4-1 – газового и 6-7-8-9-1-0-6 – парового циклов. Эти циклы построены для 1 кг водяного пара и m кг продуктов сгорания. Кратность продуктов сгорания m определяется из уравнения теплового баланса парогенератора:m(i₄ – i₅) = i₉ – i₆, откуда:

. (7.20)

Термический КПД МГД – установки замкнутого цикла определяется по формуле (7.19):

, или

. (7.21)

В МГД-установке, которая работает по замкнутому циклу, в качестве рабочего тела используют аргон и гелий. Эти газы при температурах 1800…2200ºС и добавках цезия или калия имеют большую электропроводность. Так, гелий с добавками паров при температуре 2000ºС имеет электропроводность такую же, как и продукты сгорания при температуре 2500ºС. Термический КПД МГД-установки, работающей по замкнутому циклу, составляет около 0,65.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение влажного насыщенного, сухого насыщенного и перегретого пара. Что такое степень сухости пара?

2. Запишите уравнение Вар-дер-Ваальса для реального газа. Какой физический смысл констант a и b, входящих в это уравнение?

3. Запишите уравнение, характеризующее правило фаз Гиббса. Изобразите типичную фазовую p – t - диаграмму с линиями фазового равновесия. Дайте анализ p – v фазовой диаграммы.

4. Что такое критическая температура и критическое давление газа? Запишите уравнения, связывающие критические параметры газа с постоянными а и b в уравнении Ван-дер-Вальса:

5. Изобразите типичные T– s и i – s диаграммы реального газа и дайте характеристику основных областей.

6. Что такое дросселирование газа? В чем различие дросселирования идеального и реального газов?

7. При каких условиях реальный газ охлаждается при дросселировании? Возможен ли нагрев реального газа при дросселировании? В чем состоит физический смысл эффекта Джоуля-Томсона?

8. Изобразите теоретический цикл Карно для насыщенного водяного пара в p–v и T–s диаграммах. Почему цикл Карно практически не применяется в паросиловых установках?

9. Изобразите цикл Ренкина с насыщенным паром в р–v и Т–s диаграмме. Запишите выражения термического КПД цикла Ренкина с насыщенным и перегретым паром.

10. Изобразите принципиальную схему одно-, двух- и трехконтурной ядерной энергетической установки. В чем состоит их различие?

11. Изобразите в Т–s диаграмме цикл МГД-установки, работающей по открытой и закрытой схеме. Запишите уравнения термического к.п.д. МГД-установки для обеих схем.