Крутов В.И. - Техническая термодинамика (1062533), страница 87
Текст из файла (страница 87)
К этому направлению относятся магнитогидродинамические генераторы электроэнергии (МГЛ-генераторы), которые работакп с высокой начальной температурой рабочего тела. Они ие имеют в генераторе движущихся частей, имеющихся во всех тепловых двигателях (поршень, колесо турбины и т, и ). Второе направление бази- д) ~г руется иа физических прин- кзн Ог й) 1 г ципах преобразования теплоты и химической, атомной, термоядерной, световой энергий непосредственно в электрическую.
К этому направлению исследований относятся К ггагрдягг Термоэлектрические генераторы (рис. 181, б) работают по принципу термопар, но создаются из полупроводниковых материалов. Простейшим термоионным генератором (рис. !81, в) является диод н др. В настоящее время экспериментально доказана практическая осуществимость основных четырех способов генерирования электроэнер- 40г разработки топливных элементов, представляющих собой электрохимические уст- 1 ройства, непрерывно преобразующие химическую энергию топлива и окислителя в электричество (рис. 181, а). На контактирующих поверхностях пористых электродов 1 и 2 в таком элементе осуществляются реакции: Н, -э-2Н+ + 2е и 2Н+ + — О, + 2г — Н,О Рнс. 181.
Схемы преобразователей энергии: а — электрохиинческия элеиент: б — тсркоэлсктрическия генератор нз полрпроводииков типов и н р: à — охладитсль; à — изолятор; э — териоиопныя генератор; - à — катод; à — анод; Э вЂ” подвод теплоты: 4 — внешия» электрическая непь гии — МГД-генераторами, топливными элементами, термоэлектрн ческимн и термоионными генераторами. Работа большинства типов безмашинных генераторов определяет.
ся наличием в них источника теплоты и холодильника, и поэтому и ' ним применимы методы термодинамики. Все современные машинные генераторы электрической энергии основаны на взаимодействии движущихся относительно друг друга проводника с током и магнитного поля. В МГД-генераторе (рис. 182) вместо твердого проводника используются ионизованный газ (плазма) или жидкий металл, движущиеся с большой скоростью перпендику. лярно магнитному полю, создаваелюму внешним магнитом д.
В сме- рис 182. Мгд-гезепатор ситель 1 подается химическое топливо и небольшое количество (обычно 1 — 2%) легкононизующейся присадки (например, калий или натрий). В камере сгорания 2 прн температуре 2000 — 2200 К образуется слзбоионизованная плазма, которая с большой скоростью поступает в рабочий канал 5. При пересечении магнитных силовых линий в плазменной струе появляется индуцированная э. д. с., значение которой пропорционально скорости струи газа или металла и напряженности магнитного поля. Под действием этой э. д. с. в плазме происходит разделение зарядов и возникает электрический ток, замыкающийся па внешнюю нагрузку через электроды 4 и 6, омываемые плазменной струей, Процесс изменения параметров в канале МГД-генератора подобен процессу расширения газа в турбине и отличается от него тем, что для адиабатнога расширения в МГД-генераторе требуется не только отсутствие потерь трения, но и бесконечно большая электропроводность рабочего вещества.
В йлазменном МГД-генера;горе не обязательно иметь полностью ионизованную плазму, так как зависимость электропроводности от степени ионизации показывает, что прн и = 10 з проводимость плазмы составляет половину максимальной (при и = 1,0), а при и = 10 ' проводимость достигает значения более 90% от максимальной. Получение газовых струй с такой степенью ионизации возможно путем введения в газ небольшого количества (около 1% от веса газа) легкоионизующихся присадок (К, Иа и др.). Работа А, развиваемая МГД-генератором, определяется разностью энтальпий плазменной струи на входе (начальной) гн и.выходе (конеч. ной) гн МГД-генератора А = !н — 1н. (834) Здесь в соответствии з первой формулой (806) . !=л ! л ге = г!и'Р!и) (н = ~„1!н Рлн~ (836) и и гдв (838) 409 14 Злл 285 ! л ! л н = У й4!н Р!и.
8(н У. !и!нр!и> и Мь р! и 1, — соответственно малярная масса, давление,и энтальпия компонентов плазмы. Энтропия струи на входе в'МГД-генератор определяется выраже нием г ~ л зн= — ~У (з! — Й)и Ри )Р,, ' (836) Мио '~ И) !=! где з! — табличное значение энтропии компонентов плазмы, опреде. ляемое по температуре Т,.
В таблицах даны параметры, условно отнесенные к давлению р„. Поправка на давление определяется для изотермного процесса рп = сопз( с учетом того, что для идеального газа !)и = О и Т = ро/Й: бз = бг)1Т = (би + рбо)IТ = рбой1 (ро) = Йг(в/о; Ьз = Й 1и и»7о! = Й 1и р!!Ри = — Й )п рн!Р!. Зная, что при равновесном истечении газа изменение его состава следует за изменением давления и температуры, можно принять начальную энтропию равной конечной энтропии (зн = зн) и из этого ус- ' ловия определить температуру на срезе МГД-генератора. Работа, или изменение энтальпии, ги А=-!н — !и= ~ срс)Т=сн(Т» — Т,), (837) !'н где зр — средняя теплоемкость в диапазоне температур от Т, до Тн.
Если принять процесс истечения адиабатным, то Ти!Тн =.(Рн!Р,)'» !'!» и тогда выражению (837) можно придать вид. — Ри Термический КПД, илй КПД преобразования энергии, определя-. ется в виде отношения теплоперепада к энтальпии струи на входе МГД-генератор; т)! = (!н — !н)7!и = 1 — !„7!„= 1 — (Р„)Р,)!» '!!».' (83Я! Из-за конечной электропроводности плазмы часть энергии выде. ляется в. виде джоулевой теплоты внутри МГД-генератора, что приводит к увеличению энтропии и, как следствие этого, к уменьшению по.
-лезно используемой разности энтальпий при том же перепаде давлений. В этом случае внутренний КПД Ч,„.МГД-генератора определяется в виде отношения уменьшения энтальйии газа в канале к уменьшению эяфвльпиим которая наблюдалась бы при изоэнтропном процессе'тече. ния: 'Ч„, = (Ви — ' (к) /(2„— 2'„') = г) /(1 — г'„'/Ви) = Ч,/(1 — Т„'/ Т,), где !„' и Т„' — энтальпия и температура на выходе для изоэнтропного процесса.
Тая КаК Т„'/Ти = (Р„/р;,)Гм — 07" Прн УСЛОВИИ раВЕНСтВа даВЛЕНнй на~ выходе из МГД-генератора как для реального, так и для изоэнтропного течения, то Ч = Чг/(1 — (Рк/Ри)'" ну"! где и — показатель изоэнтропы. Вышеизложенный цикл может быть осуществлен в работе комбинированной установки. Для получения высокой электропроводпости он должен осуществляться при температуре газа не У р ниже 2000 К. Однако прн такой температуре в холо. дильник отводится слишком много теплоты, всвязи б с чем в качестве второй ступени комбинированной установки целесообразно в применить газовую турбину, как показано на 1Т рис. !83.
Если же процесс расРггс. !83. Схема комбинированной установки е Ьггд-генератором: ширення газа в канале 7 — педача топлива; 2 — камера сгарацня;  — расцгн. МГД-генератора является р«ге ся со . ' — мгд.г ер р 1 — в м """ изотермным, то авектрачееная цепь; 6 — теплооаменанк; 7 — никол я атмосферу, В - екод вотдукаг  — компрессор Л = гх г я (П Рн'Рк. Этот процесс при больших степенях. расширения е и 10' дает боль. шне значения Л, чем аднабатный. Если фазовое состояние рабочего вещества изменяется, то основным циклам МГД-генератора становится цикл паросиловой установки. Эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую зависит ат разности энтальпий газа (плазмы) на входе и выходе потока.
В рабочем канале. МГД-генератора температура (или энтальпия) газа уменьшается за счет совершения полезной работы преодоления. электромагнитных сил. Однако одновременно идет и обрагный процесс нагревания газа 'вследствие джоулева подогрева, вызванного проте- = ~1(1 т1и) = = ср 7,(1 — Тт(Та) (1 — 11„) =* = Ср (7т — 7„) (1 — т1„), где т1, — механичегкнй КПД компрессора. Количество теплоты, подведенное к газу ляет Рис. И4. Реальный цикл ° р1ГЛ-генератора в камере сгорания, состав-' ча = ~ Тт)3 = ср (7а — Та). Количество теплоты, выделившееся в канале МГД-генератора вследствие джоулева подогрева, 'та (~7да ср (Та Та) (1 т)а)!т(а где а)а —, электрический КПД МГД-.генератора.
Если учесть также теплообмеи газа о окружакицей средой в канале й4ГД-генератора, тв, (Ча — а) =ср(Та —,Та) ' ф и где й — коэффициент, учитывающий потери на теллаобмеи газас окру- жающей средой. 411 капнем тока через проводящий газ (плазму). Часть теплоты, полученной газом за счет джоулева подогрева, уходит на нагрев конструкции, а оставшаяся часть увеличивает энтальпию (или температуру) на выходе из МГД-генератора и используется в паротурбинном комплексе. Вместе с теач следует отметить, что джоулев подогрев приводит к снижению КПД как МГД-генератора, так и установки.в целом и поэтому при создании такой комбинированной установки всегда стремятся и его уменьшению.
В термодинамическом цикле МГД-генератора (рис. 184) пронеся 1-2 является сжатием газа в компрессоре; в процессе 2-3 происходит нагрев газа в камере сгорания, причем теплота подводится при посто. янном давлении; процесс 8-4 является расширением газа в канале МГД-генератора и, наконец, процесс 4-г изображает охлаждение газа в теплообмеинике. В соответствии с этим циклом количество теплоты, посту паюшей к газу при сжатии а компрессоре, 2 дт =' ~ Тбз = Ы вЂ” 1и = Л1 (1 — 1„/(Л 1)) = 1 Теплота, отводимая в теплообмениики, в)в ~ Тба — 'ср (Тв 7 в), В соответствии с вышеизложенным КПД преобразования энергии а МГД- генераторе Ч = (4, +4в+4в — 4в)1(4 +4в+4в), (840) илп в соответствии с рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
