Вакуумные установки и технологии напыления. Магнитный гидродинамический двигатель


Что такое магнитогидродинамический привод?

Администратор

Магнитогидродинамический (МГД) привод - это двигатель без движущихся частей, который создает тягу, ускоряя заряженную жидкость с помощью электромагнитного поля. Это известно как сила Лоренца, величина которой в ньютонах на любой удельной заряженной частице может быть рассчитана путем добавления плотности электрического поля в вольтах на метр к мгновенной скорости частицы в м / с, умножая сумму на плотность магнитного поля в тесласе и умножения этого продукта на электрический заряд частицы в колумбах.

Когда интенсивность электромагнитного поля увеличивается, увеличивается и тяга, и удельный импульс магнитогидродинамического привода. Сила Лоренца может быть использована для движения в космических аппаратах, которые используют пластмассу в качестве жидкой среды и поэтому называются магнитоплазмадинамическими (МПД) двигателями. Экспериментальные прототипы были протестированы как на российском, так и на японском спутниках.

Магнитогидродинамика в целом - это научная дисциплина, в которой изучаются любые электрически заряженные жидкости. Объяснение и прогнозирование поведения электрически заряженных жидкостей требует комбинирования уравнений Навье-Стокса динамики жидкости с уравнениями Максвелла электромагнетизма. Это означает, что два набора дифференциальных уравнений должны решаться одновременно, то есть вычисления являются вычислительно интенсивными и часто требуют суперкомпьютеров.

В 1990-х годах Mitsubishi построил прототипы для морских судов, которые использовали магнитогидродинамические приводы, но они достигали скорости 15 км / ч (9,3 миль / ч), несмотря на прогнозы 200 км / ч (124,3 миль в час). Из-за отсутствия движущихся частей магнитогидродинамические двигатели в принципе могут быть надежными, экономичными, эффективными, бесшумными и механически изящными. Однако, поскольку их источником топлива является электричество, и у нас все еще не хватает дешевых средств для создания топливных элементов с высокой удельной мощностью, корабли, на которых используется привод MHD, должны иметь тяжелый бортовой генератор, который сжигает дизельное топливо. Если в ближайшие годы стоимость водородных топливных элементов резко возрастет, привод MHD может оказаться жизнеспособной альтернативой пропеллеру .

В космических аппаратах магнитоплазмадинамические двигатели требуют достаточного количества энергии - в мегаваттах - для оптимальной работы. Сегодня даже самые сильные генераторы космических аппаратов обеспечивают лишь несколько сотен киловатт, что означает, что двигатели MPD остаются в основном будущей технологией. Однако принципы работы двигателей MPD позволяют им обладать чрезвычайно высокими удельными импульсами, более чем в 20 раз превышающим удельный импульс химических ракет, при условии достаточной мощности.

Теги: Магнитогидродинамический привод

www.norma-stab.ru

Энергетические возможности МГД эффекта

Актуальность

Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии [1]. Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования: “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования: магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования: изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Магнитогидродинамический эффект [2] — возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства — магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей [3] пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” [4].С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу [5, 6, 7], мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

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

Недостатки МГД–генераторов

* 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.

Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

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. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов:1. Магнит;2. Соль;3. Перец;4. Батарейка;5. Медные провода.

Ход работы: 1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

Фото 1

Объяснение: Раствор соли является проводником электрического тока – электролит. Электролит будет двигаться в магнитном поле, под действием силы Лоренца. В этом и заключается МГД–эффект.

Используя явление МГД–эффекта, была изготовлена лодка на МГД–приводе [8]. Используемые материалы представлены на фото 2, готовая лодка на фото 3 и 4.

Фото 2

Фото 3, 4

Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!

Литература

1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 65. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 19966. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–87. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.

Работу выполнила:

Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса

Руководитель:

Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики

МОУ Сибирский лицейг. Томск

livescience.ru

МГД-ГЕНЕРАТОР, раздел «Физик» — Юнциклопедия

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 — электромашинных 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 находят 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.

yunc.org

Магнито-гидродинамический генератор (МГД-генератор) | Вакуумные установки и технологии напыления

Магнито-гидродинамический генератор (МГД-генератор)

(рекламно-аналитическая записка)

  Как известно, КПД тепловой машины увеличивается при увеличении максимальной и уменьшении минимальной температуры 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 быстродвижущиеся 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 ТЭЦ 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. Один из вариантов – это МГД-генератор.

  Представим себе трубу, сделанную из электроизолирующего материала и имеющую на 2-х противоположных стенках изнутри проводящие электроды. Труба помещена в магнитное поле. Внутри трубы движется струя горячего газа. Движение горячей струи газа во многих отношениях похоже на движение жидкости. Отсюда и название самого метода и генератора. В МГД-генераторе механическая энергия движущегося горячего газа преобразовывается в электрическую энергию. 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 электрическом генераторе эти проводники металлические, твердые, а в МГД-генераторе это горячий газ. При ширине канала d=3м, скорости газа v=1500м/с, ЭДС составит Е=22,5кВ. Это вполне значительная величина, достаточная для практических применений.

  МГД-генератор мощностью Р=2000МВт = 2ГВт будет иметь характеристики: d=а=3м (высота и ширина), L =15м, Е=22,5 кВ, R = 0.022 Ом, Т = 1500 – 2500 оК,

n(e) = 1020  электронов/м3 , v2 =1000 – 1500 м/с, КПД  ≥ 90%.

  МГД-генераторы повышают КПД тепловых ТЭС и атомных АЭС с 35 – 40% до 90 – 95%. В этих схемах МГД-генераторы могут использоваться как в открытых циклах, так и в замкнутых циклах.

 

                                               Перспективы применения

  1. МГД-генератор с открытым циклом на природном горючем как метод использования энергии с максимальным КПД ≥ 90% .

   Такой генератор будет работать на угле, нефти или газе (при двухступенчатой схеме:

МГД-генератор + турбины ТЭС на его выходе).  Для генерирования мощности Р=2000МВт генератор (МГД+ТЭС) должен иметь канал сечением S=9м2 (d=a=3м) и длиной L=15м.

Скорость газа в канале v=1500м/с , магнитное поле В=5Тл. Ежесекундно в камере сгорания 2т горючего будут превращаться в смесь газов (СО2 + Н2О), нагретую до Т=2500оК, а в начало канала за 1сек. будет вводиться 20кг присадки К2СО3 (К2SO4). Сопротивление газа в канале R=0,02 Ом.

  1. МГД-генератор с открытым циклом на природном горючем для покрытия “пиковых нагрузок” в электрической сети.

  Такие электростанции называют “пиковыми” или “полупиковыми” в отличие от “базовых”.  Потребление энергии в течение суток меняется – например, в городах “пик нагрузки” приходится на вечер. Изменение режима работы обычной ТЭС довольно сложно, и вечером энергии не хватает. Ситуация может быть облегчена при наличии МГД-генератора соответствующей мощности, так как его включение или изменение режима работы занимает несколько минут (или десятков секунд). Такой генератор включался бы только в период “пика нагрузки” и увеличивал бы в необходимой степени мощность в электросети.

  1. МГД-генератор как мощный местный источник электроэнергии для кратковременного потребления.

  Для питания экспериментальных физических установок (ускорителей и т.д.) часто требуются весьма большие мощности (более 104 МВт = 10 ГВт – более 10-ти атомных реакторов). При этом источник питания должен работать недолго и с большими перерывами, скажем, по 5 минут 1 раз в полчаса.  104 МВт – это крупнейшая ТЭС, строить долго и дорого. Тянуть линию электропередачи на 104 МВт тоже долго и дорого. А МГД-генератор мощностью Р=104 МВт – это установка, которую можно будет перевезти тягачом или трейлером. Стоить она будет в тысячи и более раз дешевле чем ТЭС, а запуск ее будет занимать менее минуты.

  Импульсные генераторы на меньшие мощности —  совсем скромные по размерам: при Р=50 МВт — длина L=1,2м, выход на режим около 1 сек.

  1. Использование МГД-генераторов как местных источников энергии в сочетании с ДВС, компрессорами, соплами, присадками.

  Создание таких генераторов возможно на мощности от единиц МВт до десятков МВт.

При этом, при использовании высокоэкономичных компрессоров возможно закольцовывание системы.

kvu.by