Бинарный цикл с магнитогидродинамическим генератором

В последние годы ведутся работы по созданию энергетических установок по непосредственному преобразованию теплоты в электроэнергию. Наиболее перспективными являются установки с магнитогидродинамическим генератором (МГД-генератором). Принцип действия МГД-генератора основан на явлении возникновения Э.Д.С. в потоке ионизированного газа при пересечении им магнитного поля, создаваемого электромагнитами, питаемыми постоянным током.

На рисунке 13.16 представлена принципиальная схема ПГУ с МГД-генератором.

Рисунок 13.16 – Схема ПГУ с МГД-генератором

Ионизация газа состоит в расщеплении его молекул на электроны и ионы. Необходимая степень ионизации, обеспечивающая электропроводность газа, зависит от его физических свойств и достигается при температуре около 4000°С,. Практически необходимую для ионизации температуру понижают до 2900…2300°С путем присадки в газ щелочных металлов (калия, цезия и др.). Ионизированный газ, применяемый в МГД-генераторе, называется низкотемпературной плазмой. Напряжение в МГД-генераторерастет с увеличением скорости ионизированного газа, поэтому перед генератором устанавливается разгонное сопло, в котором достигается необходимая скорость газа.

Работа ПГУ с МГД-генератором (рисунок 13.16) осуществляется следующим образом. Атмосферный воздух после компрессора 1 при давлении 0,3…0,4 МПа подается в камеру сгорания 2, куда также поступает органическое топливо и добавочный кислород. Здесь вследствие горения топлива получаются высокотемпературные газы, которые после присадки щелочных металлов (калия) переходят в плазменное состояние.

Полученная плазма проходит разгонное сопло 3, понижает давление до атмосферного, а температуру – до 2300°С и со сверхзвуковой скоростью входит в расширяющийся канал МГД-генератора 4. При пересечении магнитного поля, создаваемого электромагнитами 5, в плазме возникает электрический ток, направляемый через электроды 6к потребителю 7. Таким образом, здесь теплота газов непосредственно переходит в электроэнергию постоянного тока. Из МГД-генератора газы поступают в парогенератор 8, где их тепло используется для получения перегретого пара, и после охлаждения до 120…140°С выбрасываются в атмосферу.

Полученный в парогенераторе перегретый пар поступает в паровую турбину 9, расширяется и совершает работу, которая в генераторе 10преобразуется в электроэнергию переменного тока. Отработавший пар, как обычно, поступает в конденсатор 11, а полученный конденсат насосом 12подается снова в парогенератор.

На рисунке 13.17 в Т-s–диаграмме показан идеальный цикл установки с МГД-генератором.

Рисунок 13.17 – Бинарный цикл парогазовой установки с МГД-генератором

Верхняя ступень цикла представляет собой идеальный цикл газовой части установки, в которой:

1-2 – адиабатный процесс сжатия в компрессоре;

2-3 – изобарное нагревание газов, что соответствует горению топлива в камере сгорания;

3-4– адиабатное расширение газа в разгонном сопле;

4-1– изобарное охлаждение газов, уходящих из МГД-генератора, в парогенераторе.

Нижняя ступень цикла есть цикл Ренкина. Площадь 56789соответствует полезной работе, которая совершается за счет утилизации тепла газов, покидающих МГД-генератор.

Использование более широкого интервала температур в установках с МГД-генератором обусловливает получение большего термического К.П.Д. Согласно подсчетам К.П.Д. нетто установки с МГД-генератором может достигнуть 55…60%, что выше, чем у паротурбинных и газотурбинных установок.

Кроме открытой схемы, изображенной на рисунке 13.16, могут быть и закрытые. В закрытой схеме нагревание рабочего тела производится в тепловыделяющих элементах атомного реактора, а в качестве рабочего тела применяются инертные газы (гелий, аргон), которые после присадки цезия переходят в плазменное состояние при температуре 1800…2300°С, что облегчает конструктивное выполнение установки.

Принципиальная схема закрытой установки, отличается от открытой тем, что вместо камеры сгорания устанавливается атомный реактор, а инертные газы непрерывно циркулируют по замкнутому контуру (атомный реактор – МГД-генератор – парогенератор – атомный реактор).

Основная трудность создания установок с МГД-генератором заключается в сохранении целостности магнитогидродинамического канала, так как пока нет жаропрочных материалов, способных длительное время противостоять высоким температурам.