АЛАМБИК-АЛЬФА
Показана обоснованность основных положений, положенных в основу разработки принципиально нового способа получения водорода из воды с использованием кинетической и тепловой энергии. Разработана и испытана конструкция электроводородного генератора (ЭВГ). Во время испытаний при использовании сернокислотного электролита на оборотах ротора 1500 об/мин начался электролиз воды и выход водорода (6…8 % объема.) в условиях подсоса воздуха их окружающей среды.
Проведен анализ процесса разложения воды на кислород и водород в процессе воздействия центробежной силы в генераторе. Установлено, что электролиз воды в центробежном генераторе происходит в условиях, существенно отличающихся от существующих в обычных электролизерах:
Увеличении скорости движения и давления по радиусу вращающегося электролита
Возможность автономного применения ЭВГ не создает проблем хранения и транспорта водорода.
Попытки за предыдущие 30 лет применить термохимические циклы для разложения воды с использованием более дешевой тепловой энергии по техническим причинам не дали положительного результата.
Технология получения достаточно дешевого водорода из воды с использованием энергии возобновляемых источников и получение при последующей переработке в качестве экологически чистых отходов снова воды (при сжигании в двигателях или при получении электроэнергии в топливных элементах) казались несбыточной мечтой, но с внедрением в практику центробежного электроводородного генератора (ЭВГ) станут реальностью.
ЭВГ предназначен для производства кислород - водородной смеси из воды с использованием кинетической и тепловой энергии. Во вращающийся барабан заливается подогретый электролит, в котором при вращении в результате начинающегося электрохимического процесса происходит разложение воды на водород и кислород.
Во вращающийся барабан заливается подогретый электролит, в котором при вращении в результате начинающегося электрохимического процесса происходит разложение воды на водород и кислород. ЭВГ разлагает воду с помощью кинетической энергии внешнего источника и тепловой энергии подогретого электролита.
На рис. 1 показана схема движения ионов, молекул воды, электронов, молекул газов водорода и кислорода в ходе электрохимического процесса электролиза воды в кислотном электролите (предполагается, что на распределение молекул в объеме электролита влияет молекулярный вес ионов μ). При добавлении в воду серной кислоты и перемешивании происходит обратимое и равномерное распределение в объеме ионов:
| H 2 SO 4 =2H + +SO 4 2- , H + +H 2 O=H 3 O + . | (1) |
Раствор остается электронейтральным. Ионы и молекулы воды участвуют в броуновском и прочих движениях. С началом вращения ротора под действием центробежной силы происходит расслоение ионов и молекул воды соответственно их массе. Более тяжелые ионы SO 4 2- (μ=96 г/моль) и молекулы воды Н 2 О (μ=18 г/моль) направляются к ободу ротора. В процессе накопления ионов около обода и образования отрицательного вращающегося заряда формируется магнитное поле. Более легкие положительные ионы Н 3 О + (μ=19 г/моль) и молекулы воды (μ=18 г/моль) архимедовыми силами вытесняются в направлении к валу и образуют вращающийся положительный заряд, вокруг которого формируется свое магнитное поле. Известно , что магнитное поле оказывает силовое воздействие на находящиеся рядом отрицательные и положительные ионы, не вовлеченные еще в области зарядов вблизи ротора и вала. Анализ силового воздействия магнитного поля, сформированного вокруг этих ионов, показывает, что отрицательно заряженные ионы SO 4 2- магнитной силой прижимаются к ободу, усиливая действие на них центробежной силы, что приводит к активизации их накопления у обода .
Сила воздействия магнитного поля на положительно заряженные ионы H 3 O + усиливает действие архимедовой силы, что приводит к активизации их смещения к валу.
Электростатические силы отталкивания одноименных и притяжения разноименных зарядов препятствуют накоплению ионов у обода и вала.
Вблизи вала реакция восстановления водорода начинается при нулевом потенциале платинового катода φ + =0 :
Однако восстановление кислорода затягивается до тех пор, пока потенциал анода не достигнет φ - =-1.228 В . После этого электроны иона кислорода получают возможность переходить в платиновый анод (начинается образование молекул кислорода):
| 2О - - 2е=О 2 . | (4) |
Начинается электролиз, через токовод начинают течь электроны, а через электролит - ионы SO 4 2- .
Образующиеся газы кислород и водород архимедовой силой выдавливаются в область малого давления вблизи вала и затем по каналам, сделанным в вале, выводятся наружу.
Поддержание в замкнутой цепи электрического тока и высокоэффективный ход термохимических реакций (1-4) возможны при обеспечении ряда условий.
Эндотермическая реакция разложения воды требует постоянного подвода тепла в зону реакции.
Из термодинамики электрохимических процессов известно [ 2,3] , что для развала молекулы воды необходимо подвести энергию:
.Физики признают, что структура воды даже в нормальных условиях, несмотря на длительное изучение, пока не расшифрована .
Существующая теоретическая химия имеет серьёзные противоречия с экспериментом, но химики уклоняются от поиска причин этих противоречий, проходят мимо возникающих вопросов. Ответы на них можно получить из результатов анализа структуры молекулы воды. Вот как эта структура представляется на современном этапе её познания (см. рис. 2).
Считается, что ядра трех атомов молекулы воды образуют равнобедренный треугольник с двумя протонами, принадлежащими атомам водорода, в основании (рис. 3А), угол между осями Н-О составляет α=104.5 о.
Этой информации о структуре молекулы воды недостаточно, чтобы получить ответы на возникшие вопросы и снять выявленные противоречия. Они следуют из анализа энергий химических связей в молекуле воды, поэтому эти энергии должны быть представлены в ее структуре.
Вполне естественно, что в рамках существующих физических и химических представлений о структуре молекулы воды и о процессе её электролиза с целью получения молекулярного водорода, трудно найти ответы на поставленные вопросы, поэтому автор предлагает свои модели структуры молекулы.
Приведенные в результаты расчетов и экспериментов показывают возможность получения дополнительной энергии при электролизе воды, но для этого надо создавать условия для реализации этой возможности.
Необходимо отметить, что электролиз воды в ЭВГ происходит в условиях, существенно отличающихся (и мало изученных) от условий работы промышленных электролизеров. Давление вблизи обода приближается к 2 МПа, окружная скорость обода около 150 м/ с, градиент скорости у вращающейся стенки достаточно велик и вдобавок к этому действуют электростатические и достаточно сильные магнитные поля. В каком направлении при этих условиях изменятся ΔH o, ΔG и Q, пока неизвестно.
Теоретическое описание процесса электромагнитной гидродинамики в электролите ЭВГ также представляет сложную проблему.
На этапе разгона электролита должно быть учтено вязкое взаимодействие ионов и нейтральных молекул воды в условиях воздействия центробежной и вытесняющей более легкие компоненты архимедовой силы, взаимного электростатического отталкивания одноименных ионов при их сближении в процессе образования заряженных областей, магнитного силового воздействия этих областей на движение заряженных ионов к зарядам.
При установившемся движении, когда начался электролиз, во вращающейся среде идет активное радиальное движение ионов (ионный ток) и всплывающих пузырьков образующегося газа, их накопление вблизи вала ротора и отвод наружу, разделение в магнитном поле парамагнитного кислорода и диамагнитного водорода, подвод (отвод) требуемых порций электролита и подключение поступающих ионов к процессу разделения зарядов.
В простейшем случае несжимаемой адиабатически изолированной жидкости при наличии положительных и отрицательно заряженных ионов и нейтральных молекул этот процесс может быть описан (для одной из компонент) в следующем виде [ 9] :
1. Уравнения движения при условии на внешней границе (r=R, V-V pom):
¶ U/¶ t =(W× Ñ )U=-grad Ф+D (a × U+b × W),
¶ W/¶ t +(U× Ñ )W=-gradФ+D (a × W+b × U),
где V- скорость движения среды, H- напряженность магнитного поля, U=V+H/(4× p × r ) 0.5 , W=V-H/(4× p × r ) 0.5 , Ф=P/r +(U-W) 2 /8, Р- давление, r - плотность среды, n , n m - кинематическая и “магнитная” вязкость, a =(n +n m)/2, b =(n -n m)/2.
2. Уравнения неразрывности жидкости и замкнутости магнитных силовых линий:
3. Уравнение потенциальности электростатического поля:
4. Уравнения кинетики химических реакций, описывающие процесс превращения веществ (типа (1,3)) может быть описан :
dC a /dτ=v·(C o.a -C a)/V е -r a ,
где C a - концентрация продукта химической реакции А (моль/м 3),
v-скорость его движения, V е - объем электролита,
r a -скорость превращения реагентов в продукт химической реакции,
С о.а - концентрация реагентов, подаваемых в зону реакции.
На границе металл- электролит необходим учет кинетики электродных процессов. Некоторые сопутствующие электролизу процессы описаны в электрохимии (электрическая проводимость электролитов, акт химического взаимодействия при соударении химически активных компонент и т.д.) , но единых дифференциальных уравнений рассматриваемых процессов пока не существует.
5. Процесс образования газовой фазы в результате электролиза может быть описан с помощью термодинамических уравнений состояния:
y k =f(x 1 ,x 2 ,….x n ,T),
где y k - внутренние параметры состояния (давление, температура Т, удельный (мольный) объем), x i - внешние параметры внешних сил, с которыми взаимодействует среда (форма объема электролита, поле центробежных и магнитных сил, условия на границе), но процесс перемещения пузырьков во вращающейся жидкости пока изучен слабо.
Следует отметить, что решения системы приведенных выше дифференциальных уравнений пока получены лишь в немногих простейших случаях.
Эффективность работы ЭВГ может быть получена из баланса энергии путем анализа всех потерь.
При установившемся вращении ротора с достаточным числом оборотов мощность двигателя N d тратится на:
преодоление аэродинамического сопротивления ротора N a ;
потери на трение в подшипниках вала N p ;
гидродинамические потери N gd при разгоне поступающего в ротор электролита, трении его о внутреннюю поверхность деталей ротора, преодолению встречного движения к валу образующихся при электролизе пузырьков газа (см. рис. 1) и т.д.;
поляризационные и омические потери N om при движении тока в замкнутом контуре в процессе электролиза (см. рис. 1);
подзарядку конденсатора N k , образованного положительным и отрицательным зарядами;
электролиз N w .
Оценив величину ожидаемых потерь, можно из баланса энергии определить долю энергии N we , расходуемую на разложение воды на кислород и водород:
N w =N d –N a -N p -N gd -N om -N k .
Помимо электроэнергии в объем электролита необходимо добавить тепло мощностью N q =N we× Q/D H o (см. выражение (6)).
Тогда полная мощность, расходуемая на электролиз, составит:
N w =N we +N q .
Эффективность получения водорода в ЭВГ равна отношению полезно полученной энергии водорода N w к затраченной в двигателе N d:
h =N w ּк /N d
где к учитывает неизвестное пока увеличение производительности ЭВГ в условиях воздействия центробежных сил и электромагнитного поля.
Несомненным преимуществом ЭВГ является возможность его автономного использования, когда отпадает необходимость длительного хранения и транспорта водорода.
К настоящему времени проведены успешные испытания двух модификаций ЭВГ, подтвердившие обоснованность разработанной модели процесса электролиза и работоспособности изготовленной модели ЭВГ.
Перед испытаниями была проверена возможность регистрации водорода с помощью газоанализатора АВП-2 , датчик которого реагирует только на присутствие водорода в газе. Выделяющийся в ходе активной химической реакции Zn+H 2 SO 4 =H 2 +ZnSO 4 водород подавался к АВП-2 с помощью вакуумного компрессора ДС112 по хлорвиниловой трубке диаметром 5 мм и длиной 5м. При начальном уровне фона показаний V o =0.02 % об. АВП-2 после начала химической реакции объемное содержание водорода увеличилось до V=0.15 % об., что подтвердило возможность обнаружения газа в этих условиях.
При испытаниях 12-18.02.2004 г. в корпус ротора был залит подогретый до 60 о С раствор серной кислоты (концентрацией 4 моль/л), нагревший ротор до 40 о С. Результаты экспериментальных исследований показали следующее:
1. При вращении электролита (концентрацией 4 моль/л) центробежной силой удалось разделить положительные и отрицательные ионы различного молекулярного веса и образовать заряды в отстоящих друг от друга областях, что привело к возникновению разности потенциалов между этими областями, достаточной для начала электролиза при замыкании тока во внешней электрической цепи.
2. После преодоления электронами потенциального барьера на границе металл- электролит при числе оборотов ротора n=1000…1500 об/мин в начался электролиз воды. При 1500 об/мин анализатором водорода АВП-2 зафиксирован выход водорода V=6…8 % об. в условиях подсоса воздуха из окружающей среды.
3. При снижении оборотов до 500 об/мин электролиз прекращался и показания газоанализатора возвращались к начальным V 0 =0.02…0.1 % об.; при увеличении оборотов до 1500 об/мин объемное содержание водорода снова возрастало до V=6…8 % об..
При скорости вращения ротора 1500 об/мин обнаружено увеличение выхода водорода в 20 раз при возрастании температуры электролита от t=17 о до t=40 о С.
УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕКТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, соаёржашиб источмж питания, прозрачную емкость с электролите, магнит и связанные с истс«яиком питания электрощл, о т л н ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения наглядности, «лкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегород. ку из электропроводного матертала, раэаелякяную емкость на два сообшаюшюсся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу истсзчннка. &)
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
РЕСПУБЛИН
„.Я0„„1 027754
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ГЮ ДЕЛ4М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К. ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
{2 1) 340О847/28-12
{22) 22.02..82 (4б) 07.07.83. Бюл. No 25 (72) Д. С. Кройтор
{ 71) Кишиневский государственный медицинский институт (53) б58,686.06 (068.8) (56) 1. Марголис А. А., Парфентьева Н. Е., Иванова А. А. Практикум ла физическому эксперименту. М., Просвещение," 1&77, с. 212, рис. 22-10. (54)(57) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕ
МОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕ,КТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, с с
Держаший источник литания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и -связанные с источником питания электроды, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с пелью повьпцения наглядности, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегородку из электропроводного материала, раз-деляющую емкость на. два сообшающнхся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу источника.
Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям для применения в учебном. процессе, в; частности к приборам по физике.
Известен прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле. Прибор выполнен следующим абра; зом. На кольцевые керамические магниты поставлен плоский стеклянный сосуд, например кристаллизатор, внутрь которого 10 вставлены два электрода (кольцевой и центральный прямолинейный). В сосуд налит pacmop медного купороса тек, . чтобы уровень жидкости был ниже края сосуда на несколько миллиметров. На!5 поверхности жидкости плавает ликоподий или пробковая пыль. При процускании через электролит тока ионы при своем движении отклоняются магнитным полем и жидкость между электродамн приходит 0 во вращение, увлекая за собой плавающие материалы 1 .
Недостатком этого прибора является малая наглядность демонстрации при проведении опыта в большой аудитории.Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле.
Указанная цель достигается тем, что
; s приборе для демонстрации движения 30 иойов электролита в магнитном поле, содержащем источник питания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и связанные с источником питания электроды, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов ис точника питания и расположенную в ней 1 перегородку из электропроводного материа ла, разделяющую емкость íà два сообщающихся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости паралхиль но перегородке и подключены к второму полюсу источника.
На фиг. l. изображен прибор, общий вид„на фиг. 2 - то же, поперечный раз 45 резу
Прибор содержит емкость 1 прямоугольного сечения из органического стек= ла. Перегородка 2 из электропроводного материала делит ее на две части, но йе доходит до дна, образуя тем самым два сообщающихся сосуда 3 и 4. К боковым стенкам емкости 1 с внутренней стороны параллельно перегородке укреплены два электрода 5 и 6. Емкость 1 фиксируют между полюсами электромагнита. Один полюс постоянного источника тока подключают к перегородке 2, а другой — к боковым электродам 5 и 6. ,Пля проведения опыта в емкость 1 наливают раствор медного купороса так, чтобы уровень жидкости был на 5-7 см ниже края сосуда. Затем включают электр
poMBI íèò и наблюдают, что жидкость в сосудах 3 и 4 остается на том же уровне.
При подключении источника постоянного така (соблюдая полярность, указанную на фиг. 1), плавно увеличивая вели яну тока, получают плавное изменение уровня жид кости в сосудах 3 и 4. Сила, действующая на ионный йоток в левом сосуде 3, направлена вниз, а в правом сосуде 4вверх. В результат ге этого эффект дейсз вия магнитного ноля удваивается и уровещ жидкости при достижении величины тока в 5 А в левом сосуде 3 окажется ниже уровня, чем s правом на 4-5 см, При плавном понижении величины тока жидкость в сосудах 3 и 4 возвращается
K прежнему, одинаковому уровню., Затем повторяют опыт при перемене полярности и уровень жидкости в правом сосуде 4 становится ниже, чем в левом 3.
Изобретение позволяет повысить нагпядиость демонстрации и, тем самым, повысить качество усвоения учебного материала и эффективность использования пособия в учебном процессе.
Возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном полеОписание
Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.
На рис. 1 показан принцип действия МГД генератора, где указано направление магнитного поля В , приложенного к проводнику (движущемуся электролиту, металлу, ионизированному газу, плазме) со скоростью V .
Принцип действия МГД генератора
Рис. 1
Электрическая энергия снимается с концов электродов (кондукционные МГД генераторы), контактирующих с движущейся токопроводящей средой (на рис. 1 показано сопротивление нагрузки R ) или с помощью индуктивной связи потока с цепью нагрузки (индукционные МГД генераторы).
Временные характеристики
Время инициации (log to от -9 до -6);
Время существования (log tc от -6 до 15);
Время деградации (log td от -9 до -6);
Время оптимального проявления (log tk от -8 до -6).
Диаграмма:
Технические реализации эффекта
Линейный фарадеевский секционированный МГД - генератор
Техническая реализация - схема линейного фарадеевского секционированного МГД - генератора - показана на рис. 2.
Линейный МГД генератор
Рис. 2
Обозначения:
2 - электроды;
3 - межэлектродные изоляторы;
4 - боковые изоляционные стенки;
5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке
Применение эффекта
МГД эффект используется в электрореактивных ракетных двигателях, в расходомерах электропроводящих жидкостей, в магнитогидродинамических генераторах электроэнергии, в которых осуществляется прямой переход тепловой энергии в электрическую. Основное преимущество МГД - генераторов перед тепловыми (например, газовыми турбинами) состоит в том, что плазма имеет высокую температуру, а это приводит к повышению КПД.
Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии . Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования : “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.
Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования : магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи
:
1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.
Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования : изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.
Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.
МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.
Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” .
С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу , мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.
* Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
* В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
* Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
* При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
* Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%
* Высокая маневренность
* Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
* Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
* Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
* Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
* Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
* При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
* На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.
Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.
В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.
В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.
Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов
:
1. Магнит;
2. Соль;
3. Перец;
4. Батарейка;
5. Медные провода.
Ход работы:
1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.
Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!
1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.
2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия
3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”
4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 6
5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996
6. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
7. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.
Работу выполнила:
Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса
Руководитель:
Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики
МОУ Сибирский лицей
г. Томск
pax (МГД). Принципиальная идея такова. В рабочей камере (рис. 2) благодаря продуктам сгорания топлива поддерживается температура в несколько тысяч градусов. А при такой температуре газ, естественно, сильно ионизируется. Чтобы увеличить ионизацию электропроводящего газа, в него добавляют присадки, содержащие цезий, кальции, калий. Полученная плазма с высокой скоростью продувается через канал переменного сечения, помещенного в~ сильном магнитном поле. Как известно, на электроны и ионы плазменного потока - электрические заряженные частицы - действуют силы, которые отклоняют их либо к верхнему, либо к нижнему электродам. Появляется электрический ток.
В нашей стране уже созданы полупромышленные МГД-уста-новки, получен электрический ток.
Сегодня мы предлагаем собрать и испытать модель МГД-генератора. Поток ионизированного газа мы заменили потоком электролита. Смысл от этой замены не меняется. Модель жидкостного МГД-генератора ничуть не хуже продемонстрирует вам не только существование свободных ионов в электролитах и отсутствие их в других растворах, но и покажет наличие действующей на ионы в магнитном поле отклоняющей силы, что непременно имеет место в магнитогид-родинамическом генераторе.
Прибор представляет собой плексигласовый прямоугольный брусок 1 (рис. 3) с размерами 120 X 26 X 18 мм, внутри которого по всей длине просверлен цилиндрический канал диаметром 12 мм. Вдоль канала проложены две медные или латунные полоски сегментного сечения (обкладки конденсатора, электроды) 2, соединенные с клеммами 3. По краям прибора вставлены алюминиевые ниппели 4 для при
соединения резиновых трубок. К лицевой и обратным граням бруска приклеены плексигласовые цилиндрики 5, на которые надеты керамические кольцевые магниты 6 диаметром 20 мм из набора, выпускаемого промышленностью для школ. Прибор снабжен опорным стержнем 7 для установки его в треноге штатива.
На каждый ион текущего электролита (раствор бромида калия, хлорида натрия) действует отклоняющая сила, или, как ее называют, сила Лоренца.
Вследствие разделения ионов возникает электрическое поле, кулоновы силы которого уравновешивают силу Лоренца:
Е = ^f = VB, U = dVB.
Здесь U - разность потенциалов между электродами,
V - скорость ионов (потока),
В - индукция магнитного поля,
d - расстояние между электродами.
Поскольку электрическое сопротивление раствора очень мало, сила тока достаточна для измерения ее гальванометром от школьного демонстрационного вольтметра.
Меняя число магнитов, скорость течения электролита, концентрацию его и сам электролит, можно поставить серию забавных опытов по исследованию зависимости э.д.с. МГД-генератора от индукции магнитного поля, скорости потока, концентрации ионов, их заряда и массы.
