Термодинамика Бурдаков В.П., Дзюбенко Б.В., Меснянкин С.Ю., Михайлова Т.В., страница 70

Величина 9, складывается из следующих составляющих: теплоты, затрачиваемой на обеспечение эмиссии электронов с поверхности катода, и теплоты, передаваемой излучением от катода к аноду. Рассмотренный термоэлектронный генератор, выполненный по принципу преобразования теплоты в энергию электрического полн, не отличается от теплового двигателя. Поэтому термический КПД рассмотренного преобразователя всегда меньше, чем КПД цикла Карно, Даже при температурах катода порядка 1100 — 1200 вС КПД термоэмиссионных преобразователей составляет 6 — 18% . Однако простота их конструкции, компактность и малая масса делают их перспективными для приме- т З.Б. Энергетические установки с Мгд-генераторами 1 3.6.

Энергетические установки с МГД-генераторами Основным элементом данных установок является магнитогидродинамический генератор, принципиальная схема которого показана на рис. 13.9. Газ, служащий рабочим телом, совместно с небольшим количеством легко ионизирующейся добавки (например, калия или натрия) нагретый до очень высокой температуры, частично ионизируется, т. е. переходит в плазменное состояние. Затем этот газ расширяется в сопле 1, где приобретает весьма высокую скорость (порядка 1000 мгс) и поступает в канал 2 МГД-генератора, который находится во внешнем магнитном поле, силовые линии В которого перпендикулярны оси канала.

При пересечении проводником (которым является ионизированный поток газа) магнитных силовых линий в этом проводнике возникает ЭДС и электрический ток. Ток течет в направлении, перпендикулярном плоскости, проходящей через векторы скорости газа и индукции магнитного поля. Таким образом, в рабочем объеме МГД-генератора вырабатывается электроэнергия, отводимая с электродов 3, подключаемых к потребителю электроэнергии. Иначе говоря, в МГД-генераторе в электроэнергию преобразуется энергия потока плазмы, движущейся в канале генератора. Теплота в нем преобразуется в энергию электрического тока, минуя промежуточную стадию превращения теплоты в механическую работу.

Вместе с тем, как уже отмечалось в равд. 13.1, отнесение МГД-генераторов к устройствам прямого преобразования теплоты в электроэнергию является в известной степени условным, поскольку в этих генераторах теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, расходуется на нагрев рабочего тела, рабочее тело расширяется в сопле, приобретая значительную кинетическую энергию, и только затем эта кинетическая энер- 2 2 гия преобразуется в канале МГД-генератора в электроэнергию, в то время к как в других установках, рассмотренных в равд. 13.2 — 13.5, промежуточные стадии нагрева и ускорения отсутствуют. В этой связи МГД-генератор Рис.

1 3.9 Глава 13, Безмашинное преобразование энергии правильнее называть устройством безмашинного преобразования теплоты в электроэнергию, подчеркивая этим то обстоятельство, что, в отличие от обычных турбогенераторов, в МГД-каналах отсутствуют движущиеся элементы. Последнее позволяет работать при более высокой начальной температуре, которая, как правило, составляет 2500 †30 'С, тогда как в паровых турбинах она не превышает 650'С, а в газовых— 700 — 800 'С. Теплосиловые энергетические установки с МГД-генератором работают по открытому или закрытому циклу. Схема энергетической установки с МГД-генератором, работающей по открытому циклу, приведена на рис, 13.10.

Воздух из компрессора 1 при давлении р„поступает в воздухоподогреватель 4, где нагревается при рз = сопз1 до температуры 1500 — 2000 'С 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 2550 — 3050 'С 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 ри Температура продуктов сгорания на выходе из МГД-генератора достигает 2300 — 2400 'С.

Из МГД-генератора продукты сгорания поступают в регенеративный теплообменниквоздухоподогреватель 4, где охлаждаются, подогревая воздух, подаваемый в камеру сгорания. Из воздухоподогревателя продукты сгорания поступают в парогенератор Б, где при р = = сопз$ 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 подается снова в парогенератор 6. Нетрудно видеть, что установка бинарная, в которой в качестве верхнего цикла используется МГД-цикл с частичным использованием теплоты на регенерацию. На рис. 13.11 в Тз-диаграмме приведен цикл МГД-установки, работающей по открытой схеме. Замкнутый контур 1 — 2 — 3 — 4 — 6 — 6 — 7 — 1 представляет собой магнитогидро- 446 13.6.

Энергетические установки с Мгд-генераторами Жили 2 Приседи о Т топав ру Рис. 13.11 Рис. 13.10 динамическую, а 8 — 9 — 10 — 11 — 12 — 8 — пароводяную ступени цикла. При этом МГД-ступень цикла состоит из следующих процессов: 1 — 2 — адиабатного сжатия воздуха в компрессоре от давления рт до давления ра', 2 — 8 — подвода теплоты к воздуху в воздухонагревателе4 при давлении 1т = сопвФ; 8 — 4— подвода теплоты в камере сгорания при р = сопвФ; 4 — Б — адиабатного расширения продуктов сгорания в МГД-генераторе с производством работы (электроэнергии); 6 — 6 — 7 — 1 — отвода теплоты в цикле при рт = сопз1, где Б — 6 — отдача теплоты в воздухонагревателе воздуху, поступающему в камеру сгорания из компрессора; 6 — 7 — отдачи теплоты воде в парогенераторе 5; 7 — 1 — отдачи теплоты при рт = сопз$ в окружающую среду.

Пароводяная ступень цикла включает следующие процессы: 8 — 9 — нагрев воды в регенеративном теплообменнике до температуры кипения; Π— 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 р = сопз1. Пароводяной цикл построен для 1 кг воды, а МГД-цикл— для т кг рабочего тела.

Кратность т определяется из уравнения теплового баланса парогенератора 6 (см. рис. 13.10) лат~а 'тт) 'ттт 'тв 447 Глава 13. Беэчашинное преобразование энергии откуда Ьг — Ьз Ь, — Ь, С учетом тепловых потерь в парогенераторе Ь11 Ьа 1 т= — —, "в Ьз Чп где г)„— КПД паронагревателя, учитывающего тепловые потери в теплообменнике. Термический КПД МГД-установки определяется по формуле, аналогичной уравнению для г), бинарного цикла, 'я~мгд ~вод (13.31) где 1м„„и 1„„— удельная работа магнитогидродинамического и пароводяного циклов; д — теплота, подводимая к 1 кг рабочего тела МГД-цикла. Применительно к рассматриваемой схеме выражение (13.31) записывается следующим образом: гпГ,܄— Ь вЂ” Ьэ + Ьг) -г (Ьи — Ьм) г), — щЬ Ь, .

(13.32) Необходимо иметь в виду, что рабочее тело в МГД-генераторах нельзя считать идеальным газом с постоянной теплоемкостью, так как при рабочих температурах в камере сгорания наблюдается интенсивная диссоциация продуктов сгорания. Расчеты по формуле (13.32) показывают, что термический КПД МГД-установок порядка 70%, что на 10 — 15% выше„ чем эффективность паротурбинных и газотурбинных установок.

Если в качестве источника нагрева использовать ядерный реактор, то для исключения загрязнения окружающей среды может рассматриваться б МГД-установка, работающая по зам- Н 7 кнутому контуру, принципиальная 8 схема которой показана иа рис. 13.12. Рабочее тело сжимается в компрессоРис. 13.12 ре 1 от давления р, до рэ и подается 448 13.6. Энергетические установки с МГД-генераторами т(/г — Ь ) = 119 — 65Р откуда 11, — Ье 221 =, . (13.34) (13.33) Термический КПД МГД-установки замкнутого цикла определяется по формуле 2'"~МГД (дад т)1 т)т 2 4 2 1) ( 29 ~19) О (13.35) 212(~з '22) Рис. 13.13 29 — 5590 в ядерный реактор 3, где нагревается от температуры Т2 до Тз.

Из реактора рабочее тело поступает в рабочий канал МГД-генератора 3, в котором адиабатно расширяется от давления р до р, 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 Б 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 6 снова подается в парогенератор 4. На рис. 13.13 приведен термодинамический цикл МГД-установки: 1 — 3 — адиабатное сжатие газа в компрессоре; 3— 3 — подвод теплоты при рз = сопев в реакторе; 3 — 4 — адиабатное растпирение с отдачей работы в МГД-генераторе; 4— 6 — отвод теплоты при рт = сопя( в парогенераторе; 6 — 1— отвод теплоты при р, = сопе$ в водяном теплообменнике. Полезная удельная работа всей установки численно равна сумме пл.

13341 газового и пл. 6789106 парового циклов. Эти циклы построены для 1 кг водяного пара и т кг продуктов сгорания. Кратность продуктов сгорания т определяется из уравнения теплового баланса парогенератора: Глава 13. Безмашинное преобразование энергии В МГД-установках, работающих по замкнутому циклу, в качестве рабочего тела используются аргон и гелий. Эти газы при температурах 1800 †22 'С при добавках цезия или калия имеют большую электропроводность. Так, гелий с добавками паров калия при температуре 2000 'С имеет электропроводность такую же, как и продукты сгорания при температуре 2600 'С. Термический КПД рассмотренной МГД-установки примерно такой же, как и у установки, работающей по открытому циклу.