1 Газовой плазмой называется газ, в котором значительная часть (или даже все 100%) образующих его атомов или молекул ионизирована. Поэтому плазма — смесь ионов, свободных электронов и нейтральных молекул, оставшихся неионизированными.
В этом движущемся проводнике возникает наведенная э. д. с., направление которой перпендикулярно направлению движения газа и направлению магнитного поля. В данном случае э. д. с. индукции будет направлена сверху вниз. Чтобы ее использовать, нужно к этому ионизованному газу, движущемуся в магнитном поле, присоединить внешнюю цепь. Для этого газ должен двигаться между электродами (на рис. 6 показаны зачерненными пластинами). Если к этим электродам присоединить внешнюю цепь, то в ней возникает наведенный ток. Он получается за счет энергии движения газа в магнитном поле. Магнитное поле тормозит движение ионизованного газа, поэтому газ, двигаясь в магнитном поле, должен преодолевать большее сопротивление. Добавочная работа на преодоление магнитного поля- и будет преобразовываться в электрическую энергию.
Рис. 6. Принцип магнитогидродинамического генератора.
Поток ионизированного газа можно получить различными способами. В частности, и это очень важно, ионизированный газ получают, просто нагревая любой газ до температуры в несколько тысяч градусов. На сколько именно — это зависит от того, с каким газом мы будем иметь дело. Воздух, например, сильно ионизуется при температуре 5000—6000°С. Если же добавить в воздух пары щелочных металлов, то можно получить сильную ионизацию уже при температуре порядка 2500— 3000°С. Такую температуру мы можем создать в пламени, возникающем при сгорании различных видов топлива. При этом нужно добиваться и высокой электропроводности газа, и его движения с большой скоростью. Для этого камера сгорания должна быть снабжена соплом наподобие сопла турбины или ракеты. При сгорании топлива в замкнутой камере возникает не только высокая температура, но и высокое давление. Под действием этого давления газообразные продукты сгорания устремляются в сопло; специально рассчитанная форма сопла позволяет добиться высоких скоростей истечения, превышающих скорость звука.
Таким образом, применение вместо металла горячего ионизованного газа позволяет генерировать электроэнергию за счет тепловой энергии, минуя ее преобразование в кинетическую энергию вращения твердых тел (роторов турбины и генератора). По сравнению с газотурбинной электростанцией мы сокращаем оборудование на один очень существенный агрегат — газовую турбину, заменяя турбину и генератор одним устройством. А по сравнению с паровой станцией магнитогидродинамический генератор позволяет исключить два агрегата — здесь отсутствует еще и паровой котел. Выигрыш в конструктивном отношении очевидный. В энергетическом отношении тоже можно ожидать выигрыша. За счет того, что мы экономим по крайней мере одну ступень преобразования энергии., Правда, к сожалению, мы все-таки имеем дело с тепловой энергией. Поэтому термодинамический к. п. д.
· (см. стр. 10) и здесь является предельным, как и у всякой тепловой машины.
Мы не можем добиться полного использования тепловой энергии, так как она здесь должна превращаться в энергию упорядоченного движения (электрического тока), что не может быть сделано полностью. Но мы не только можем, но и обязаны использовать очень высокую температуру нагревателя (камеры сгорания). О температуре в 650°, которая для паровой ТЭС является сейчас пределом, и говорить нечего; здесь нужно работать при температурах порядка 2500—3000°С. Само по себе получение и пропускание сквозь генератор потока газа такой температуры представляет собой нелегкую техническую проблему: нужны жаростойкие вещества, которые могут длительно выдерживать такие температуры.
Что же в этом направлении сделано сейчас? Существуют и описаны в литературе работающие модели м. г. д. генераторов, развивающие мощности от 1 до 200 кВт в течение нескольких минут или даже секунд. Это экспериментальные модели, предназначенные для исследования принципа работы и испытания материалов.
Рис. 7. Проект магнитогидродинамической электростанции.
Промышленного значения все эти модели еще не имеют. Но уже в течение двух, лет на Западе существует проект (см. рис. 7, правда, пока что это только картинка) м. г. д. генератора большого масштаба.
В камеру сгорания поступает и сгорает распыленный уголь. Для получения более высокой температуры воздух вдувается в камеру сгорания предварительно подогретым. Продукты сгорания, нагретые до температуры порядка 2900°С и обогащенные парами натрия или калия, поступают мощным потоком в сопло, где ускоряются и затем проходят между коллекторными пластинами (А и В) в магнитном поле между полюсами электромагнита (Ν и S). При этом значительная часть теплоты используется для генерации тока. Однако все тепло в м. г. д. генераторе полностью нельзя использовать. Выходящие из него горячие газы должны иметь еще достаточно высокую температуру — порядка 2100°С, иначе они перестанут проводить ток. Поэтому неизрасходованное ими тепло используется в дальнейшем. Во-первых, часть его расходуется для предварительного подогрева воздуха, вдуваемого в камеру сгорания; во-вторых, остающееся после этого тепло, соответствующее температуре 1160°С, применяется для работы вспомогательного паросилового цикла, который позволяет утилизировать еще некоторую часть тепла.
Расчетная мощность всей установки - 460 тыс. кВт, из них м. г. д. генератор вырабатывает 365 тыс. кВт, а остальные 95 тыс. кВт получаются от добавочного паросилового цикла. Из этой мощности часть будет расходоваться в самом генераторе на возбуждение магнитного поля электромагнитами и другие «собственные нужды»; остальная энергия должна поступать во внешнюю сеть. Ожидаемый к. п. д. всей станции в целом может доходить до 65%. Этот проект сильно разрекламирован, вероятно, с целью привлечь к нему внимание и капиталовложения. В настоящее время над ним, по-видимому, серьезно работает большая группа ученых (Спорн, Кантровиц и др.).
Наши ученые также работают над аналогичными проблемами. В частности, на прошедшей летом 1960 года 2-й Всесоюзной конференции по магнитной гидродинамике представители одного из советских научных учреждений докладывали свои проекты магнитогидродинамических генераторов переменного тока, спроектированных аналогично тому, что мы привыкли видеть в обычном генераторе трехфазного тока.
1 На рис. 7 в этой части установки показаны две паровые турбины: первая из них связана с компрессором, всасывающим воздух для дутья, а вторая приводит в движение генератор, вырабатывающий добавочную электроэнергию.
Эта система, несмотря на свои большие масштабы, по существу— простейшая машина, которая должна вырабатывать постоянный ток; лишь в специальном дополнительном устройстве этот постоянный ток путем инвертирования должен превратиться в переменный. Желательно — и такую задачу ставят перед собой некоторые из ученых, разрабатывающих м. г. д. генераторы, — вырабатывать в них непосредственно переменный ток.
