1598005370-70491a7283ca3540dddce2de932120e0 (811201), страница 38
Текст из файла (страница 38)
МГД-УСТАНОВКИ ЗАМКНУТОГО ЦИКЛА В МГД-установках замкнутого цикла рабочим телом может служить либо плазма инертных газов (аргон или гелий), либо жидкие металлы. В случае плазменных МГД-установок замкнутого цикла с ядерными реакторами начальный нагрев газа не может быть особенно высоким. Температура газов не будет превосходить 1500 К или в лучшем случае 1700-1900К. Такие температуры недостаточно высоки, чтобы обеспечить термическую ионнзацию даже ионизирующейся присадки.
Однако в плазме инертных газов можно обеспечить неравновесную ионизацию, при которой основной газ, состоящий из ионов и нейтральных атомов, имеет сравнительно низкую температуру, а электроны — более высокую„ Эта более высокая температура электронов поддерживается за счет их разгона в электрическом поле. Наиболее экономичным и эффективным методом повышения электронной температуры и получения неравновесной ионизации является нагрев электронного газа за счет использования индуцированного электрического поля. При протекании тока через плазму вначале электроны разгоняются и приобретают более высокую температуру, а затем отдают свою энергию в виде джоулевой теплоты при столкновениях с молекулами.
Из-за большого различия в массе при каждом упругом стол:кнове- 182 нии с атомом или молекулой электрон теряет лишь небольшую часть энергии. Для полной потери начальной энергии электрону необходимо совер- шить около 1О' упругих столкновений. За это время электронам будет сообщена гораздо большая энергия, в результате чего их полная энергия возрастает, а значит температура повышается. При электрон-электрон- ных столкновениях возможный избыток энергии расходуется при первом же столкновении, так что электроны быстро достигают между собой равновесия, вследствие чего им и можно приписывать определенную темБт, пературу.
Если обозначить через — ' относительньм потери энергии в М, столкновениях между электронами (массы ш.) и атомами (массы М.), а другими процессами, приводящими к потерям энергии, пренебречь, то средняя кинетическая энергия электронов определяется выражением КТ.
=КТ + гМ, 1 ЗЬ п,е где 1 - плотность тока, проходящего' через плазму. Для упругих столкновений значдние б —.1+2, поэтому можно получить'гораздо более высокие значения электронной температуры, плотности и электрической проводимости. В молекулярных газах, напротив, имеют место колебательиые и вращательные состояния с энергиями, более близкими к тепловым, поэтому неупругие столкновения происходят чаще и потери энергии электронов гораздо выше (Ь и 50+100). При этом электронная температура увеличивается незначительно. Для того чтобы связать электронную температуру и параметры, определяемые ею, с характеристиками МГД-генератора, используются уравнения баланса энергии для электронов и джо'- улевой диссипации в канале МГД-генератора 1+ ~~ ~„~з~г~1 )т Т Зб где и - показатель эдиабаты для газа; Т - температура плазмы; М - число Маха; 13 - параметр Холла; п~- электрический КПД МГД-генератора, равный отношению полезной электрической энергии, выделенной на рабочей нагрузке, ко всей электроэнергии, вырабатываемой в МГД-генераторе.
Электрическая проводимость для неравновесной плазмы может ГЛАВА Х1. ХИМЯЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ЭИЕРГТШ Р. НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ ПРЕОВРАЗОВАИИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В РАВОТУ В большинстве случаев человек получает необходимые ему виды энергии и работу из энергии, освобождающейся прн химических превращениях. Химическая энергия - зто солнечная энергия, аккумулированная в форме, доступной для ее использования человеком. Превращение химической энергии в тепло происходит непосредственно, без каких либо промежуточных процессов. Сжигание различных веществ - это самый древний и простой метод получения тепла из химической энергии. Значительно сложнее из химической энергии получить работу или электрическую энергию.
Известно, что теоретически переход одних видов энергии в другие возможен, однако практически непосредственное превращение химической энергии в работу или электрическую энергию в настоюцее время осуществляется только в нсюпочитсльньях случаях, Как правило, освобождающаяся химическая энергия вначале полностью переводится в тепло;которое затем при помощи тепловых двигателей превращаегся в работу нли электрическую энергию. Недостаточное знание механизмов непосредственного превращения химической энергии в работу нли электрическую энергию вынуждает нас использовать тепло в качестве посредника.
Включениетепла как посредника между химической нэлектрической энергиями или работой невыгодно главным образом с двух точек зрения. Во-первых, каждый реальный процесс необратим, поэтому он протекает с рассеянием энергии. Чем больше ступеней, через которые проходит процесс, тем больше мы теряем энергии. Естественно,,что в многоступенчатом последовательном процессе (химическая энергия -+ тепло -+ работа -+ электрическая энергия) рассеяние энергии значительно больше, чем в одноступенчатом превращении (химическая энергия-+ электрическая энергия).
Во-вторых, в соответствии со вторым началом термодинамики тепло не может быть полностью превращено в работу. Таким образом, если даже допустить возможность обратимого проведения всех процессов, то и тогда включение промежуточного процесса превращения в тепло привело бы к большим потерям энергии. Вот почему многоступенчатый процесс превращения химической энергии в электрическую невыгоден для нас. Недостаток наших знаний чрезвычайно дорого обходится мировой экономике.
Только глубокое знание законов движения различных видов материи дает возможность надежно и экономично проводить. в нужном 135 направлении процессы, необходимые для превращения энергии. Пока нельзя исюпочить тепло из этого цикла, поскольку нет возможности создавать устройства, в которых химическая энергия надежно н с большим коэффициентом полезного действия превращалась бы в энергию упорядоченного движения молекул (при получении работы), либо в энергию упорядоченного движения электронов (при получении электрической энергии). Возможности исключения тепла А можно ли вообще исключить мспользованне тепла как посредника2 Возможно ли в принципе непосредственное превращение химической энергии в работу или электрическую энергию? Термодинамическая теория в состоянии дать однозначный ответ на этот вопрос.
Согласно двум началам термодинамики, та часть внутренней энергии, которая освобождается в любом' термодинамическом процессе (к их числу относятся и химические процессы), может непосредственно превращаться в работу. В самом благоприятном идеальном случае обратимого ведения процесса между (максимальной) работой А, полученной при абсолютной температуре Т, и освобождающейся внутренней энергией М~ существует следующее соотношение: дА А = сЛ/+Т— (1) бТ если йА ИТ > О, энергия, равная Т(дА йП), переходит в тепло, то есть максимальняа работа, которую может дать процесс, меньше, чем изменение внутренней энергии. Поскольку из опыта нам известно, что максимальная работа, получаемая в химических процессах, очень мало изменяется с температурой, то теоретически большая часть энергии, освобождающейся при химических процессах, может быть непосредственно превращена в работу.
Эта часть энергии тем больше, чем ниже температура Т. Например, в процессе горения водорода 2Нз + Оз-+2НгО при 25'С в расчете на ! моль водяного пара (18г) освобождается химическая энергия АУ = -58 ккал/моль; которая соответствует теплоте егорания водорода. При обратимом ведении процесса теоретически А = -55 ккал/моль. Таким образом, только 3 ккал/моль тепла С/ неизбежно переходят в окружающее пространство. Менее благоприятен случай, когда вода образуется в жидком агрегатном состоянии: прн этом АП = -68 18б ккял/моль, А = -57 ккал/моль и, таким образом, в тепло превращается 11 ккал/моль. Теплота сгорания окиси углерода СО (основнойсоставной части генераторного„а также бытового газа), употребляемой для нагревания котлов, составляет — 68 ккал/моль, а работа А = -61 ккал/моль.
Прн сгорании метана (основной составной части природного газа и существенной части бытового газа) М/=213 ккал/моль, а работа А„=-196 ккап/моль. Внутренняя энергия, освобождающаяся при сгорании угля, ~Ы = -94 ккал/моль теоретически может быть полностью превращена в работу. В действительности же, поскольку необратимость неизбежна, получаемая работа существенно меньше. КПД реального процесса всегда ниже. Тем не менее КПД любого непосредственного превращения значительно больше, чем прн наличии промежуточной стадии превращения в тепло. Таким образом, в процессах, используемых для'производства энергии, теоретически возможно превращение в работу большей части освобождавшейся энергии. КПД процесса превращения химической энергии непосредственно в работу в большинстве случаев тем выше, чем ниже температура, таккакчденТдА /ЙТв уравнении (1) "тем меньше, чем меньше Т, Но при низких температурах скорость процесса невелика.
Итак с точки.зрения термодинамики превращение освобождающейся в химических процессах энергии в работу возможно. Яо осуществимо лн оно практически в настоящее время? Для некоторых химических процессов в принципе можно сконструировать устройства, в которых химическая энергия непосредственно превращается в работу, однако при современном техническом уровне онн оказываются настолько сложнымн, что практически не могут быть испольэованьь Более реальной в настоящее время представляется возможность непосредственного превращения химической энергии в электрическую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
