|
| |
|
Главная -> Экология
Магнитогидродинамические генераторы. Переработка и вывоз строительного мусораВ электрохимических генераторах происходит прямое преобразование химической энергии на электрическую. Возникновение ЭДС в гальваническом элементе связано со способностью металлов посылать свои ионы в раствор в результате молекулярного взаимодействия между ионами металла и молекулами (и ионами) раствора. Рис.1 Рассмотрим явление, которое происходит при погружении цинкового электрода в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Молекулы воды стремятся окружить положительные ионы цинка в металле (рис.1). В результате действия электростатических сил положительные ионы цинка переходят в раствор сернокислого цинка. Этому переходу оказывает содействие большой дипольный момент воды. Рядом с процессом растворения цинка происходит и обратный процесс возвращения в цинковый электрод положительных ионов цинка при достижении ими электрода в результате теплового .движения. При переходе положительных ионов в раствор увеличивается отрицательный потенциал электрода, который препятствует этому переходу. При определенном потенциале металла наступает динамическая равновесомая, то есть два встречных потока ионов (от электрода в раствор и наоборот) будут одинаковыми. Этот равновесный потенциал называется электрохимическим потенциалом металла относительно данного электролита. Важное техническое применение гальванические элементы имеют в аккумуляторах, где вещество, которое расходуется при отборе тока, предварительно накапливается на электродах при пропуске через них на протяжении определенного времени тока от постороннего источника (при заряжении). Использование аккумуляторов в энергетике осложнено через маленький запас активного химического топлива, которое не разрешает получать электроэнергию беспрерывно в большом количестве. Кроме того, аккумуляторам присущаяй маленькая удельная мощность. Большое внимание во многих странах мира уделяют непосредственному преобразованию химической энергии органического топлива в электрическую в топливных элементах. В этих преобразователях энергии можно получить более высокие значения КПД, чем в тепловых машинах. В 1893 году немецкий физик и химик Нернст высчитал, что теоретический КПД электрохимического процесса преобразования химической энергии угля в электрическую энергию равняется 99,75%. Рис.2. Схема водородно-кислородного топливного элемента: 1 - корпус; 2 - катод; 3 - электролит; 4 - анод На рис.2 показана принципиальная схема водородно-кислородного топливного элемента. Электроды в топливном элементе пористые. На аноде происходит переход положительных ионов водорода в электролит. Электроны, которые остались, образовывают отрицательный потенциал и во внешнем кругу перемещаются к катоду. Атомы кислорода, которые находятся на катоде, присоединяют к себе электроны, образовывая отрицательные ионы, которые переходят в раствор в виде ионов гидроксила ОН- за счет присоединения из воды атомов водорода. Ионы гидроксила, соединяясь с ионами водорода, образовывают воду. Таким образом, при подведении водорода и кислорода происходит реакция окисления топлива ионами с одновременным образованием тока во внешнем кругу. Поскольку напряжение на выводах элемента небольшое (приблизительно 1В), то элементы последовательно соединяют в батареи. КПД топливных элементов очень высокий, теоретически он близкий к единице, а практически равняется 60-80%. Использование водорода как топлива связано с высокой стоимостью эксплуатации топливных элементов, поэтому выискиваются возможности использования других более дешевых видов топлива, прежде всего, естественного и генераторного газа. Однако скорость протекания реакции окисления газа удовлетворительная при высоких температурах (800-1200 К), что выключает использование водных растворов щелочей как электролитов. В этом случае возможно использовать твердые электролиты с ионной проводимостью. Ныне широко ведутся работы относительно создания эффективных высокотемпературных топливных элементов. Пока удельная мощность топливных элементов все еще небольшая, она в несколько раз ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания. Однако успехи электрохимии и конструктивное усовершенствование топливных элементов в недалеком будущем сделают возможным использование топливных элементов в автотранспорте и энергетике. Топливные элементы бесшумные, экономические, и в них отсутствуют твердые отходы, которые загрязняют атмосферу.
К одному из центральных физико-технических задач энергетики принадлежит создание магнитогидродинамических генераторов (Мгд-генераторов), которые непосредственно превращают тепловую энергию в электрическую. Возможность практической реализации такого рода превращения энергии в широких промышленных масштабах появилась благодаря успехам в атомной физике, физике плазмы, металлургии и ряде других областей. Непосредственное преобразование тепловой энергии на электрическую разрешает существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов. Первый магнитогидродинамический генератор тока был испытан еще 1832 году английским физиком М.Фарадеем, который старался обнаружить возникновение электродвижущей силы (ЭДС) между двумя электродами, которые были погружены в воду речки Темзы близ моста Ватерлоо в Лондоне. В соответствии с открытым Фарадеем законом электромагнитной индукции перемещение проводника (в данном случае солоноватой воды из речки) в магнитном поле Земли должно было сопровождаться возникновением ЭДС и электрического тока в проводниках, которые соединяли электроды. А согласно закону электромагнитной индукции сила тока в проводниках пропорциональная индукции магнитного поля Земли и скорости течения воды в речке. Измерительная техника, которой владел Фарадей, не разрешила нему обнаружить эффект, которого он ожидал, но в данном эксперименте было применено все принципиальные элементы современного Мгд-генератора тока: проводниковое вещество, которое двигается по каналу, поперечное магнитное поле и токоснимающие электроды. Эффект электромагнитной индукции используется и в обычных источниках тока - электромашинных генераторах, где поперек магнитного поля двигаются жесткие проводники, размещенные на роторе, который вращается. В отличие от них, в Мгд-генераторе жесткие проводники заменены проводниковой 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 разрешает непосредственно превращать тепловую энергию в электрическую без промежуточных сложных устройств типа паровой турбины или двигателя внутреннего сгорания. Принципиальная схема действия Мгд-генератора приведена на рис.1. В этой схеме между металлическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, который имеет кинетическую энергию движения частичек. При этом соответственно с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, которое создает протекание тока между электродами внутри канала генератора и во внешнем кругу. Поток ионизированного газа - плазма - тормозится под действием электродинамических сил, которые возникают при взаимодействии тока, который течет в плазме, и магнитного потока. Рис.1 Можно провести аналогию между силами, которые возникают, и силами торможения, которые действуют со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии происходит путем усовершенствования работы по преодолению сил торможения. До недавнего времени было известно три состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Газ считался электрически нейтральным, так как атомы и составленные из них молекулы есть нейтральными. Заряд электронов в атомах полностью уравновешивается зарядом ядра. При нагревании газа в результате интенсивных соударений атомов происходит выбивание внешних электронов. Если отделить все электроны от ядер, то вещество будет находиться в четвертом состоянии, которое называется плазмой. Хотя плазма имеет высокую электропроводность, ее значительно увеличивают добавлением некоторых щелочных металлов, которые легко ионизируются (калий, натрий и т.п.). Если какой-нибудь газ нагреть до высокой температуры (приблизительно 3000°С), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив его на электропроводящую плазму, то при следующем расширении плазмы в рабочих каналах Мгд-генератора состоится прямое преобразование тепловой энергии в электрическую. Рис.2 Принципиальная конструктивная схема Мгд-генератора: 1-обкладка электромагнита; 2 - камера сгорания; 3 - присадка; 4 - воздух; 5 - топливо; 6 - сопло; 7 - электроды; 8 - продукты сгорания Принципиальная конструктивная схема Мгд-генератора приведена на рис.2. В камеру сгорания для получения высоких температур подается топливо, воздух и присадка для увеличения ионизации плазмы. После прохождения сопла (суженной части конструкции) происходит расширение плазмы, увеличение скорости ее движения и образование ЭДС между электродами. Продукты сгорания представляют собой поток тепловой энергии, и их можно использовать для паросилового устройства. Рис.3. Принципиальная схема Мгд-генератора с паросиловым устройством Принципиальная схема Мгд-генератора с паросиловым устройством приведена на рис.3. В камере сгорания сжигается органическое топливо, а продукты, которые получаются при этом, в плазменном состоянии вместе с добавленными присадками направляются в канал Мгд-генератора, который расширяется. Сильное магнитное поле образовывается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора может быть не ниже 2000°С, а в камере сгорания - 2500-2800°С. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, которые выходят из Мгд-генератора, обусловленная настолько значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000°С, что в них практически исчезает магнитогидродинамическое взаимодействие с магнитным полем. Теплота отработанных в Мгд-генераторах газов сначала используется для подогрева воздуха, который подается в камеру сгорания топлива, то есть - для повышения эффективности процесса его сожжения. Потом в паросиловом устройстве теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров к необходимой величине. Газы, которые выходят из канала Мгд-генератора, имеют температуру приблизительно 2000°С, а современные теплообменники, к сожалению, могут работать при температурах, которые не превышают 800°С. Из-за этого при охлаждении газов часть тепла теряется. Вы можете видеть, как схематично показаны основные элементы МГД-электростанции с паросиловым устройством и их взаимосвяи. Трудность в создании Мгд-генераторов состоит в создании материалов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам ставят высокие требования, так как они должны продолжительное время работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500-2800°С). Для потребностей ракетной техники созданы материалы, которые способны работать при таких условиях, однако на протяжении нескольких минут. Продолжительность работы промышленных энергетических устройств может измеряться месяцами и больше. Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды. Например, вольфрамовая нить в лампе накаливания при температуре 2500-2700°С может работать в вакууме или среде нейтрального газа несколько тысяч часов, а в воздухе расплавляется через несколько секунд. Снижение температуры плазмы добавлением к ней присадок служит причиной повышенной коррозии конструкционных материалов. Сейчас созданы материалы, которые могут работать продолжительное время при температуре 2200-2500°С (графит, оксид магния и т.п.), тем не менее они не способные противостоять механическим напряжениям. Несмотря на достигнутые успехи, задача создания материалов для Мгд-генераторов пока еще не решена. Производятся также поиски газа с наилучшими свойствами. Гелий с небольшим добавлением цезия при температуре 2000°С имеет одинаковую проводимость с продуктами сгорания минерального топлива при температуре 2500°С. Разработан проект Мгд-генератора, который работает по замкнутому циклу, в котором гелий беспрерывно циркулирует в системе. Для работы Мгд-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропуская огромные токи по обмоткам. Чтобы исключить сильное нагревание обмоток и потери энергии в них, сопротивление проводников может быть наименьшим. Для этого в роли таких проводников целесообразно использовать сверхпроводящие материалы. Рис.4 Мгд-генератор с ядерным реактором: 1 - ядерный реактор; 2 - сопло; 3 - Мгд-генератор; 4 - место конденсации щелочных металлов; 5 - насос; 6 - место введения щелочных металлов Перспективные Мгд-генераторы с ядерными реакторами, которые используются для нагревания газов и их термической ионизации. Схема такого устройства приведена на рис.4. Трудность создания Мгд-генератора с ядерным реактором состоит в том, что современные тепловыделяемые элементы, которые вмещают уран и покрыты оксидом магния, выдерживают температуру около 600°С, а для ионизации газов необходима температура около 2000°С. Очень интересен Мгд-генератор с пульсирующей плазмой (рис.5) в котором можно получить электрическую энергию переменного тока. Генератор состоит из замкнутой камеры, в которой помещается радиоактивный газ в таком количестве, при равномерном размещении которого не происходит цепная реакция. При сжимании газа в одном из концов камеры достигается сверхкритический объем и происходит цепная реакция, в результате чего получается ударная волна. Вслед за волной перемещается плазма. В противоположном конце камеры снова происходит цепная реакция, и плазма двигается в противоположном направлении, которое предопределяет изменения в ЭДС. Рис. 5 МГД- генератор с пульсирующей плазмой: 1-плазма; 2- камера сгорания; 3- алюминиевые баки; 4- замедлитель-теплоноситель; 5- бетонная защита; 6,8- подача и отвод теплоносителя-замедлителя; 7- критическая область; 9- регулирующие стержни. Первые экспериментальные конструкции Мгд-генераторов имеют пока что высокую стоимость. В будущем можно ожидать существенного снижения их стоимости, которая разрешит успешно использовать Мгд-генераторы для покрытия пиков нагрузки в энергосистемах, то есть в режимах относительно недолговременной работы. В этих режимах КПД не имеет решающего значения, и Мгд-генераторы можно использовать и без паросилового устройства. В данный момент в мире сооружены мощные опытно-промышленные образцы Мгд-преобразователей энергии, на которых ведутся исследования относительно усовершенствования их конструкций и создания эффективных Мгд-электростанций, которые смогут конкурировать с обычными электростанциями.
Проблемы создания опытного метан. Газовый. Украина может бить независимой в. 100 долларов устроили бы туркмению. Правительство инициирует введени. Главная -> Экология 
|