МГД-установки относятся к одному из принципиально новых и перспективных видов судовых энергетических установок. В настоящее время существуют только теоретические разработки и некоторые экспериментальные модели МГД-установок.
Суть принципа магнитогидродинамического превращения энергии высказал Майкл Фарадей более ста лет назад. В соответствии с законом, сформулированным Фарадеем, при движении проводника в магнитном поле в нем возникает электрический ток, текущий в направлении, перпендикулярном движению проводника и силовым линиям магнитного поля. Причем в формулировке закона не говорится, что проводник обязательно должен быть твердотельным. Роль проводника могут выполнять и электропроводящие жидкости или газы.
Механизм преобразования тепловой энергии в электрическую выглядит следующим образом. При сжигании органического топлива образуются горячие газы, которые в обычных условиях не проводят электрический ток.
Для того, чтобы стать электропроводным, газ должен быть нагрет как минимум до температуры 2500 °C. При такой температуре газ начинает ионизироваться и переходить в состояние плазмы, которая является электропроводной. Полная ионизация газа, при которой он состоит только из свободных электронов и ядер атомов, возникает при температурах порядка 10000 °C. Но получить столь высокую температуру газа достаточно сложно – в топках современных паровых котлов температура газа не превышает значений 1900 ÷ 2000 °C. Поэтому на практике приходится ограничиваться «низкотемпературной плазмой», а чтобы она приобрела достаточную электропроводность, добавлять в нее легкоионизирующее вещество. В качестве такого вещества обычно используют соли щелочных металлов – натрия, калия или цезия, пары которых ионизируются при значительно меньших температурах.
Схема одного из вариантов МГД-установки показана на рис. 20. В камеру сгорания поступает топливо, которое сгорает в потоке горячего воздуха высокого давления. В поток газов добавляется ионизирующая присадка. Образовавшаяся при сгорании топлива низкотемпературная плазма, имеющая температуру ~ 2500 °C, поступает в канал МГДГ и разгоняется в нем до скорости 800 ÷ 1000 м/с. Проходя по каналу, электропроводная плазма пересекает силовые линии мощного магнитного поля, в результате чего в направлении, перпендикулярном движению плазмы и силовым линиям магнитного поля, начинает течь электрический ток. Ток снимается с электродов – анода и катода, и поступает через преобразователи электроэнергии в силовую сеть судна. При взаимодействии с магнитным полем происходит торможение потока газа, а при расширении в канале МГДГ температура газа снижается до ~ 2000 °C. При таких условиях газ теряет электропроводность, но его температурный потенциал можно полезно использовать в газотурбинной или паротурбинной установке.
На схеме показан вариант МГДУ с регенеративной паротурбинной установкой первого рода с тремя отборами пара. После канала МГДГ газ поступает в шахту газохода и, омывая последовательно расположенные поверхности нагрева, передает свою теплоту рабочим средам: воздуху – в подогревателе воздуха; пару – в основном и промежуточном пароперегревателях; воде и пароводяной смеси – в испарительной поверхности нагрева. После поверхностей нагрева располагается регенератор, который позволяет извлечь из потока газов ионизирующее вещество, возвращаемое в камеру сгорания насосом возврата ионизирующей присадки. Паровая турбина выполнена в виде трехкорпусного агрегата. Перегретый пар из пароперегревателя поступает в проточную часть ТВД , далее направляется в промежуточный пароперегреватель, и после повторного перегрева поступает в проточную часть ТСД. Турбины высокого и среднего давления являются приводными для воздушного компрессора, сжимающего воздух до давления 1 МПа, и подающего его через подогреватель воздуха в камеру сгорания.
При прохождении через подогреватель температура воздуха повышается до 1260 °C. Избыточная мощность ТВД и ТСД используется для выработки электроэнергии в навешенном на общий вал электрогенераторе. Пар из ТСД поступает в проточную часть ТНД, которая приводит в действие движитель судна. С целью повышения экономичности ПТУ в данной схеме применен трехступенчатый подогрев питательной воды за счет отборов пара, организованных из ресивера и корпусов ТСД и ТНД.
МГД-установки позволяют достичь значений КПД, недоступных обычным тепловым двигателям: 50 ÷ 65 %. Это объясняется значительным повышением температуры цикла и соответствующим возрастанием термического КПД. Однако на пути использования таких установок стоит целый ряд сложных технических проблем:
1) Защита электродов и стенок МГД-канала от воздействия высоких температур. Эта задача может быть решена с помощью интенсивного охлаждения наиболее теплонапряженных узлов, но при этом будет иметь место большая потеря теплоты с охлаждающей жидкостью, приводящая к снижению КПД установки. Кроме того, при охлаждении пристенных слоев газа ухудшается его электропроводность, а с нею и эффективность работы МГД-канала;
2) Получение мощного магнитного поля, которое можно создать только на базе сверхпроводящих магнитных систем;
3)Определенные трудности при разработке мощных преобразователей постоянного тока в переменный;
4) Создание устройств для улавливания и возвращения в цикл дорогостоящей ионизирующей присадки.
Не смотря на технические трудности, во многих странах уже созданы экспериментальные и полупромышленные МГД-установки. Не прекращаются исследования возможности применения МГД-установок в судовой и корабельной энергетике.
Литература
Судовые энергетические установки. Комбинированные и ядерные установки. Болдырев О.Н. [2007]
