Преобразователи энергии (стр. 2 )

.

Такой КПД теоретически может быть получен в цикле Карно, который в силу разных причин не может быть реализован на практике.

Для реальных циклов термический КПД

Из анализа формулы термического КПД цикла Карно следует, что с точки зрения возможности преобразования теплоты в работу источники теплоты далеко не равноценны. Например, если Т1 = 400 К, а Т2 = 300 К, то из 1 Дж такой теплоты можно в лучшем случае получить 0,25 Дж механической работы при КПД ηt = 25 %. При Т1 = 1000 К, Т2 = 300 К, из 1 Дж теплоты можно получить в принципе 0,7 Дж.

Теплота при Т = 300 К (температуре окружающей среды) вообще не имеет энергетической ценности, ибо из нее нельзя получить сколько бы то ни было механической работы.

С таким выводом тесно связано следствие из второго закона термодинамики, утверждающего, что невозможно создать так называемый вечный двигатель второго рода, т. е. устройство, которое непрерывно производило бы работу, только отбирая теплоту от одного источника теплоты. Если бы это было возможно, то, используя в качестве единственного источника теплоты окружающую среду, человечество получило бы по существу неисчерпаемый источник энергии.

Таким образом, нельзя построить двигатель, работающий непрерывно и расходующий теплоту, поступающую от одного источника теплоты, без того, чтобы отдавать какое-то количество теплоты при более низкой температуре.

3. Преобразователи энергии

3.1. Классификация преобразователей энергии

Преобразователи энергии представляют собой устройства, в которых происходит превращение одних видов энергии в другие. Иногда преобразователи называют генераторами энергии, виды энергии – источниками энергии, а результат преобразования (другие виды энергии) – полезными или рабочими.

Преобразователи энергии бывают простыми, в которых происходит один этап превращения, и сложными, состоящими из нескольких простых преобразователей.

Так как основными полезными видами энергии являются электрическая, механическая и тепловая, часто преобразователи энергии называют соответственно энергетическими, силовыми и тепловыми.

Термин "преобразователь энергии" рекомендуется применять тогда, когда необходимо указать источник энергии (например "преобразователи ядерной энергии"), а термин "генератор энергии" – когда надо указать получаемый полезный вид энергии (например, "генераторы электрической энергии").

Так как человек непосредственно использует главным образом четыре вида энергии – тепловую, электрическую, механическую, световую, а основными источниками энергии являются солнечная, химическая и ядерная энергия, то генераторы энергии можно разделить на следующие четыре группы: генераторы тепла, электрической энергии, механической энергии, света.

К теплогенераторам относятся следующие генераторы:

а) химические – печи, топки котлов, камеры сгорания;

б) ядерные – реакторы, ядерные батареи, генерирующие тепло;

в) электромагнитные – высокочастотные установки для сушки, закалки и т. п.

г) электрические – электропечи, котлы, плазмотроны;

д) механические – ударные трубы, тормозные устройства.

К электрогенераторам относятся генераторы:

а) химические – гальванические элементы (включая аккумуляторы), топливные элементы;

б) ядерные – ядерные батареи, генерирующие электричество;

в) электромагнитные – волновые сверхвысокочастотные (обращенный магнетрон, планотрон), световые – фотоэлементы;

г) тепловые – термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи;

д) механические машинные – обычные вращающиеся генераторы, реже – возвратно-поступательные генераторы;

е) механические безмашинные термоэлектромагнитные – магнитогидродинамические.

К генераторам механической энергии принадлежат генераторы – двигатели:

а) тепловые – двигатели, применяющие расширительные устройства для нагретого газа или плазмы;

б) ядерные и термоядерные двигатели – реакторные двигатели, использующие для создания реактивной тяги кинетическую энергию продуктов деления ядер;

в) электрические – электродвигатели постоянного и переменного тока;

г) электромагнитные или электроракетные двигатели (плазменные, ионные и т. п);

д) световые – фотонные, ракетные двигатели, солнечный парус;

е) механические – двигатели, использующие движение воды в реках, морях (приливы и отливы), ветер.

К генераторам света относятся генераторы:

а) химические – фосфор и др.;

б) ядерные – ядерные светильники;

в) тепловые – электролампы накаливания, свечи, керосиновые лампы и т. п.;

г) электрические – квантовые оптические генераторы (лазеры).

Так как источники энергии могут быть природными – естественными и искусственными, называемыми соответственно первичными и вторичными, то преобразователи энергии в свою очередь можно разделить на первичные и вторичные. К первым относятся, например, преобразователи химической, ядерной и солнечной (электромагнитной) энергии, ко вторым – преобразователи электрической, механической и тепловой энергии.

По характеру протекания рабочего процесса преобразователи делятся на стационарные (непрерывные) и пульсирующие (импульсные).

Стационарный процесс протекает в турбинных и реактивных двигателях, пульсирующий процесс характерен для поршневых двигателей, магнитогидродинамических генераторов, линейных электрических двигателей ограниченного перемещения.

Как известно из термодинамики, пульсирующие процессы более экономичны, чем стационарные.

По мнению специалистов по энергетике, окружающий нас мир состоит из преобразователей и накопителей энергии.

Накопители энергии – устройства, способные накапливать энергию, сохранять ее с возможно меньшими потерями и выдавать при необходимости с требуемой интенсивностью. Эти устройства тесно связаны между собой.

Так как энергия не исчезает и не возникает из ничего, поэтому источником энергии может быть только система, способная энергию накапливать.

Имеется много примеров совмещения функций преобразователей и накопителей. Например, в электрических машинах кинетическая энергия в установившемся режиме хранится во вращающихся частях, а в динамических режимах она преобразуется в электрическую или механическую энергию с обязательным преобразованием в теплоту.

Если предположить, что в электрической машине отсутствуют потери, то такое устройство не может служить электромеханическим преобразователем энергии, а может выполнять только функции накопителя.

Большинство преобразователей преобразуют один вид энергии в другой, например, электрическую в механическую или механическую в тепловую и т. д. Однако к преобразователям энергии можно отнести также и те, которые преобразуют один вид энергии в тот же вид, отличающийся лишь характеристиками, например, температурой, напряжением.

К таким преобразователям относятся горы, моря и водоемы, а также предметы, окружающие человека, которые преобразуют тепловую энергию, нагреваясь и охлаждаясь в течение какого-то времени. Примером может служить и электрический трансформатор, в котором при электромагнитном преобразовании энергии электрическая энергия преобразуется сначала в магнитную, а затем снова в электрическую, но с другими, как правило, токами и напряжениями.

Преобразователи энергии составляют основу окружающего мира.

3.2. Единицы измерения и расчетные соотношения для

преобразователей энергии

Размерность энергии

В системе единиц СИ единицей энергии является джоуль, 1 Дж = 1 Н∙м.

В расчетах, связанных с теплотой, обычно в качестве единицы энергии используют внесистемную единицу калорию (кал) и килокалорию (ккал), 1 кал = 4,1868 Дж.

Иногда для оценки запасов источников энергии в качестве единицы энергии применяется тонна условного топлива – угля (т у. т.). При полном сгорании этого количества топлива выделяется энергия – 7∙106 ккал. При переходе одного вида энергии в другой количественные соотношения устанавливаются экспериментально.

В ядерной физике для измерения энергии используется электронвольт (ЭВ) 1 ЭВ = 1,6∙10-19 Дж.

Внесистемной единицей энергии является эрг, 1 эрг = 1 дин∙1 см = 10-5Н∙10-2м = 10-7Дж.

Физическая природа электричества рассматривается в двух аспектах: корпускулярном (т. е. в виде потока электронов) и волновом (т. е. в виде электромагнитного поля), имеющих различные проявления в электроэнергетике. При корпускулярном аспекте за единицу электроэнергетики принимают 1 МэВ, а при волновом – 1 кВт∙ч.

1 МэВ = 4,42∙10-20 кВт∙ч.

В электроэнергетике электрическая энергия рассматривается в волновом аспекте.

Соотношения между единицами измерения в энергетике

1 Дж = 1В∙А∙с = 1 Вт∙с = 0,238 кал = 1 Н∙м = 0,102 кг/см.

1 кВт∙ч = 3600 кДж = 367,2∙103 кг∙м.

0,278 кВт = 1 МДж.

27,8 Вт∙ч = 100 кДж.

0,1 кВт∙ч = 360 кДж.

Тепловые величины

Количество теплоты, энергии, работы:

1 кал = 4,187 Дж.

1 ккал = 4,187 кДж.

1 Мкал = 4,187 МДж.

1 Гкал = 4,187 ГДж.

1 кВт∙час = 3600 КДж.

Расход теплоты (тепловая мощность):

1 ккал/час = 1,163 Вт.

1 Мкал/час = 1,163 кВт.

1 Гкал/час = 1,163 МВт.

1 МВт = 0,86 Гкал/час.

1 л. с. (лошадиная сила) = 0,736 кВт.

Давление:

1 ат = 1 кг/см2 = 105 Па = 0, 1 МПа = 10 м вод. ст.

1 кг/м2 = 1 мм вод. ст. = 9,81 Па.

Условное топливо – топливо, теплота сгорания которого составляет 7000 ккал/кг или 29310 кДж/кг.

По теплоте сгорания:

1 т у. т. эквивалентна 0,875 тыс. м3 природного газа.

1 т у. т. эквивалентна 0,73 т топочного мазута.

Выработка энергоносителей:

1 т пара соответствует 0,66 Гкал.

1 Гкал соответствует 143 кг у. т.

Для выработки 1 Гкал теплоты в котельной с КПД 90 % необходимо затратить 159 кг у. т.

Для выработки 1 кВт∙ч электрической энергии на тепловой электростанции необходимо затратить 0,34 кг у. т. (средний показатель).

Из 1 т у. т. вырабатывается в котельной 6,3 Гкал.

Из 1 т у. т. вырабатывается на ТЭС 2941 кВт∙ч электрической энергии.

КПД преобразования энергии:

КПД ,

,

где Э1 – затраченная энергия; Э2 – выходная энергия; ∆Э – потери энергии.

Мощность – скорость передачи энергии:

, ,

где F – сила; ℓ – расстояние; ∆t – время передачи энергии.

Энергия вращающейся массы m, находящейся от оси вращения на расстоянии r:

, , .

Центробежная сила Fц = m rω2.

Энергия деформируемых твердых тел, энергия сжатых газовых объемов:

Fд = - к∆х, , Эд = Fср∆х = ,

к (для пружин) =,

где n – количество витков; Д – диаметр; Е – модуль упругости; d –диаметр проволоки.

Разгон тела массой m под действием силы F:

, V = at, ;

,

где а – ускорение тела; V – скорость тела; t – время разгона; ℓ – путь, пройденный телом; Эк – энергия, затраченная на разгон.

Сила торможения, передаваемая препятствию при остановке движущегося тела:

,

где t – время падения скорости до нуля.

Сила взаимодействия двух зарядов q1 и q2 массой m1 и m2:

.

Энергия перемещения заряда:

F = Еq; U = Еℓ; .

, q = It; Э = q U = It U = Рэt.

Энергия конденсатора:

, , ε0 = 8,85 10-12Ф/м;

.

Энергия индуктивного накопителя энергии (ИНЭ):

.

Удельная энергия ИНЭ:

.

3.3. Характеристики энергоносителей в преобразователях энергии

В своем развитии энергетика прошла следующие качественные ступени:

1.Биоэнергетика – использование в качестве источника механической работы биологической энергии человека.

2.Механическая энергетика – использование энергии потоков воды и воздуха.

3.Теплоэнергетика – использование в качестве источника механической работы теплоты, выделяющейся при сжигании топлива.

4.Современная комплексная энергетика – преимущественное использование в качестве первичной энергии тепловой и гидравлической, а в качестве вторичной – электрической энергии.

5.Атомная энергетика – использование энергии ядерных реакций.

Для каждой из перечисленных ступеней развития энергетики характерен некоторый количественный показатель. Для одних из них таким показателем является удельная энергоемкость носителя энергии, выражаемая отношением количества механической работы в джоулях к единице массы энергоносителя. Для живых двигателей он неприменим вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее, в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, если для современного океанского судна водоизмещением 80 000 Т использовать вместо двигателя мускульные усилия людей, то для мощности 70 000 л. с. потребовалось бы свыше 2 млн. гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысил бы вес судна.

Что касается энергоносителей неживой природы, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точными цифрами и позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее. Носитель гидроэнергии – вода – располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты падения. Так, 1 кг воды может располагать энергией в 10, 100, 1000 Дж или, скажем, 10000 Дж. Меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии – воздух, энергоемкость которого к тому же постоянно и бессистемно изменяется в зависимости от скорости ветра.

Удельная энергоемкость 1 кг топлива лежит в пределах 8380–46000 кДж/кг или в среднем около 30000 кДж/кг. Даже если учесть, что КПД тепловых установок в среднем примерно в 3 раза ниже КПД гидравлических, высокая энергоемкость горючего дает выход энергии в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Использование ядерной энергетики с позиций удельной энергоемкости, безусловно, знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Удельная энергоемкость ядерного горючего выражается в среднем в 85–1012 Дж/кг по ядрам тяжелых изотопов и 630–1012 Дж/кг по термоядерным реакциям, что в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять возможным использование только 10 % энергии ядерного горючего, энергоемкость носителей ядерной энергии более чем в миллион раз превосходит энергоемкость обычных видов топлива. Практическое применение ядерного горючего означает начало эры энергетики, совершенно независимой от местных условий, когда каждый энергопотребляющий объект в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту будет обеспечен громадными количествами необычайно концентрированной атомной энергии, расходуемой в самых разнообразных целях: нагрева, охлаждения, кондиционирования, связи, транспорта, привода орудий и машин.

Итак, в развитии энергетики должны быть отмечены следующие ступени, характеризующие резкое отличие применяемых форм энергии по весовой энергоемкости:

1.  Использование первичной механической (гидравлической – и в меньшей степени ветровой) энергии с энергоемкостью порядка 100–10000 Дж/кг.

2.  Использование первичной тепловой энергии с энергоемкостью 30∙106 Дж/кг.

3.  Использование первичной ядерной энергии с энергоемкостью

85∙1012 – 630∙1012 Дж/кг.

Широкое применение электрической энергии в электромеханических преобразователях ставит вопрос о характеристиках используемых в них энергоносителей.

Преобразование энергии в электромеханических преобразователях осуществляется посредством электрического или магнитного поля. В соответствии с видом поля, которое играет роль посредника и выступает в качестве энергоносителя, ЭМП подразделяются на ёмкостные или индуктивные.

У обоих типов ЭМП взаимодействие между отдельными частями преобразователей и преобразование энергии происходит через поле, существующее в среде, которое заполняет пространство между взаимодействующими частями преобразователя. Этой средой обычно является воздух или другое вещество с подобными магнитными и электрическими свойствами. При практически достигнутых интенсивностях электрического и магнитного полей количество энергии в единице объема такой среды будет при магнитном поле значительно больше, чем при электрическом.

Электромагнитное поле, как и любая другая форма материи, обладает энергией и массой и может преобразовываться в другие формы материи с сохранением энергии и массы.

Являясь носителем энергии, электромагнитное поле обладает также и определенной массой, которая соответствует этой энергии, может быть определена с помощью закона Эйнштейна.

W = mc2,

где W – энергия, Дж; m – масса, кг; c – скорость, м/с.

Так как скорость света велика, то несмотря на значительную величину плотности энергии электромагнитных полей, используемых в технике, плотность массы их ничтожна по сравнению с плотностью массы любого вещества. Покажем это на примере. Пусть индукция магнитного поля равна 1 Тл, а напряженность электрического поля – 108 В/м. Отметим, что последнее может быть достигнуто лишь при весьма большом вакууме. При этих условиях объемная плотность энергии электрического и магнитного полей:

Дж/м3.

Соответствующая ей объемная плотность массы электромагнитного поля:

кг/м3. Отсюда следует, что объемная плотность массы электромагнитного поля является ничтожно малой величиной.

Существование массы электромагнитного поля имеет принципиальное значение как свидетельство материальности этого поля. Так, наличие массы у электромагнитного поля определяет давление света на освещенную поверхность, которое открыл и измерил в 1900 г. русский физик

Приведенные показатели свидетельствуют, с одной стороны, о преимущественном применении в современной энергетике индуктивных ЭМП и, с другой стороны, о специфичности электрических и магнитных полей как энергоносителей.

Электрическая энергия как совокупность энергии электрического и магнитного поля является вторичной энергией, преобразованной из других видов энергии.

Весовая энергоемкость электрической энергии по сравнению с приведенными видами энергии незначительна и поэтому этот показатель практически не используется в энергетике и электромеханике. Следует, однако, отметить широкое применение показателей с размерностью Дж/кг, Вт/кг для оценки энергетической эффективности конструкции ЭМП в виде электрических машин, аппаратов, электроприводов.

4. Преобразователи тепловой энергии

4.1. Общие принципы работы тепловой машины

В тепловой машине сочетаются процессы испарения, расширения и конденсации рабочего тела. На тепловых и ядерных электростанциях обычно рабочим телом является вода. Ядерная и тепловая энергии, подводимые к рабочему телу, расходуются на превращение воды в пар с высоким давлением и температурой. Рабочее тело расширяется и вызывает вращение турбогенератора, который вырабатывает электроэнергию. После использования пар имеет низкую температуру и низкое давление. В конденсаторе рабочее тело охлаждается и превращается в воду с первоначальной температурой и давлением.

Закон сохранения энергии гласит: количество подведенной энергии равно отведенной из системы энергии и совершаемой системой работе W.

Принцип действия основан на свойстве рабочего тела запасать энергию на этапе испарения и отводить энергию на этапах расширения и конденсации dU.

Подведенная и отведенная энергия представляет собой работу Q = dU + W. Это уравнение – первый закон термодинамики – по своей сути является математическим выражением закона сохранения энергии для системы, которая обменивается с внешней средой энергией в форме теплоты и работы.

Наиболее простым случаем, когда производится работа расширения, является расширение газа под поршнем. При перемещении поршня на расстояние dl совершаемая газом работа

dW = PSdl или dW = PdV,

где – избыточное давление газа; F – сила, действующая на поршень; S – площадь поршня.

Зная зависимость давления газа от объема газа можно определить работу, совершаемую газом при изменении объема. При увеличении объема работа положительна и совершается системой. При уменьшении объема работа отрицательна и совершается над системой.

Второй закон термодинамики (формулировка Кельвина): невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы только к превращению теплоты, получаемой от источника, целиком в работу. Следовательно, КПД энергетической установки всегда меньше единицы.

Второй закон термодинамики не имеет доказательств, он сформирован опытным путем. Упорядочить хаотичное тепловое движение микроскопических элементов невозможно. Возможно только изменить средние характеристики совокупности молекул, но регулировать работу поведения отдельно взятых нельзя.

Необходимым условием существования цикла любого теплового двигателя является возможность отвода определенного количества тепла от рабочего тела к холодному источнику. Работа в цикле равна разности количества теплоты, подводимого при температуре Т1 и отводимого при температуре Т2:

W = Q1 - Q2.

КПД цикла

.

Французский инженер Ннкола Леонардо Сади Карно (1824) рас-смотрел работу идеального двигателя. В начальной фазе двигатель находится в термодинамическом равновесии с холодным источником при температуре Т2. Работа двигателя происходит следующим образом: рабочее тело сжимается, температура возрастает от Т2 до температуры горячего источника Т1. Рабочее тело, находясь в контакте с горячим источником и совершая работу, расширяется. Затем процесс подвода тепла к рабочему телу прекращается и процесс дальнейшего расширения будет происходить до тех пор, пока температура рабочего тела не станет равной Т2. Находясь в тепловом контакте с холодным источником, рабочее тело обратно сжимается до состояния, в котором его внутренняя энергия принимает первоначальное значение.

Указанная последовательность получила название цикла Карно, а машина, в которой эти процессы происходят, – тепловой машиной Карно. Этот цикл является идеализацией, с помощью его можно определить максимальный КПД при определенных условиях.

Термический КПД цикла Карно:

,

где Т1, Т2 – температура самой горячей и самой холодной точки тепловой машины.

Это теоретический КПД, выше которого подняться в тепловой машине невозможно. Если Т2 = 0, то КПД = 100 %, но такая ситуация невозможна. Минимум температуры составляет 293 К. Нельзя также повысить Т1 до бесконечности. В современных паротурбинных блоках тепловых и атомных электростанций температура водяного пара не превышает 893 К. Следовательно, идеальный КПД составляет 0,6. Любая реальная тепловая машина имеет КПД ниже КПД цикла Карно для тех же граничных температур. Трудно добиться полного сгорания топлива и достичь полного охлаждения горячих газов. Часть энергии уходит на трение и необратимый переход тепла. Одной из главных задач при осуществлении экономически выгодных процессов преобразования энергии является приближение к изотермическому протеканию процессов и уменьшению тепловых потерь.

Для современных поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания реальный КПД не превышает 30 %, а для современных устройств – паровых и газовых турбин – 40 %.

4.2. Магнитогидродинамическое преобразование энергии

К одной из основных задач энергетики относится создание магнитогидродинамических генераторов (МГД-генераторов), непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую.

Непосредственное преобразование тепловой энергии в электричес-кую позволяет существенно повысить эффективность использования топливных ресурсов.

Для современной электроэнергетики большое значение имеет откры-тый Фарадеем закон электромагнитной индукции, который утверждает, что в проводнике (твердом, жидком или газообразном), движущимся в магнитном поле, индуцируется ЭДС. Область науки, изучающая взаимодействие между магнитным полем и токопроводящими жидкостями или газами, называется магнитогидродинамикой.

В принципиальной схеме МГД-генератора (рис. 4.2.1) между метал-лическими пластинами, расположенными в сильном магнитном поле, пропускается струя ионизированного газа, обладающая кинетической энергией направленного движения частиц. При этом в соответствии с законом электромагнитной индукции появляется ЭДС, вызывающая протекание электрического тока между электродами внутри канала генератора и по внешней цепи. Поток ионизированного газа – плазмы тормозится под действием электродинамических сил, возникающих при взаимодействии протекающего в плазме тока и магнитного потока. Можно провести аналогию между возникающими силами и силами торможения, действующими со стороны рабочих лопаток паровых и газовых турбин на частички пара или газа. Преобразование энергии и происходит путем совмещения работы по преодолению сил торможения.

Рис. 4.2.1. Схема работы МГД-генератора

Если какой-либо газ нагреть до высокой температуры (около 3000 оС), увеличив тем самым его внутреннюю энергию и превратив в электро-проводное вещество, то при последующем расширении газа в рабочих каналах МГД-генератора произойдет прямое преобразование тепловой энергии в электрическую.

Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой показана на рис. 4.2.2. В камере сгорания сжигается органическое топли-во, получаемые при этом продукты в плазменном состоянии с добавлением присадок направляются в расширительный канал МГД-генератора. Сильное электромагнитное поле создается мощными электромагнитами. Температура газа в канале генератора должна быть не ниже 2000 оС, а в камере – 2500–2800 оС. Необходимость ограничения минимальной температуры газов, покидающих МГД-генератор, вызывается значительным уменьшением электропроводности газов при температурах ниже 2000 оС, у них практически исчезает магнитогидродинамическое воздействие с магнитным полем.

Рис. 4.2.2. Принципиальная схема МГД-генератора с паросиловой установкой:

1 – камера сгорания, 2 – теплообменник, 3 – МГД-генератор, 4 – обмотка электромагнита, 5 – парогенератор, 6 – турбина, 7 – генератор, 8 – конденсатор, 9 – насос

Теплота отработанных в МГД-генераторе газов вначале использу-ется для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания топлива, и повышает эффективность процесса его сжигания. Затем в паросиловой установке теплота расходуется на образование пара и доведение его параметров до необходимых величин.

Выходящие из канала МГД-генераторов газы имеют температуру примерно 2000 оС, а теплообменник может работать при температурах, не превышающих 800 оС, следовательно, при охлаждении газов часть теплоты теряется.

Трудность в создании МГД-генераторов состоит в получении металлов необходимой прочности. Несмотря на статические условия работы, к материалам предъявляются высокие требования, так как они должны длительное время работать в агрессивных средах при высоких температурах (2500–2800 оС). Жаростойкость зависит не только от материалов, но и от среды.

Понижение температуры плазмы добавлением к ней присадок вызывает повышенную коррозию конструкционных элементов. Графит, окись магния и другие материалы могут работать длительное время при температурах 2200–2500 оС, но они не способны противостоять механическим напряжениям. Задача создания материалов для МГД-генератора является весьма актуальной. Ведется также поиск химического состава газов с улучшенными свойствами.

Для работы МГД-генератора необходимо создавать сильное магнитное поле, которое можно получить пропусканием огромных токов по обмотке. Для уменьшения нагрева обмоток и потерь в них сопротивление должно стремиться к минимуму. Поэтому для изготовления обмоток используют сверхпроводящие материалы.

Перспективны МГД-генераторы с ядерными реакторами, используе-мыми для нагреваний газов и их термической ионизации (рис. 4.2.3).

Рис. 4.2.3. Проект МГД - генератора с ядерным реактором: 1 – ядерный реактор, 2 – сопло, 3 – МГД-генератор, 4 – место для конденсации щелочных металлов,

5 – насос, 6 – место ввода щелочных металлов

Трудность создания МГД-генераторов с ядерными реакторами состоит в том, что тепловыделяющие элементы, содержащие уран и покрытые окисью магния, допускают температуру 600 оС, а для ионизации необходима температура 2000 оС. Первые образцы таких МГД-генераторов имеют очень высокую стоимость.

4.3. Термоэлектрические преобразователи энергии

Из устройств, непосредственно преобразующих тепловую энергию в электрическую, термоэлектрические генераторы (ТЭГ) небольшой мощ-ности применяются достаточно широко. Достоинства ТЭГ: отсутствие движущихся частей, нет необходимости в высоких давлениях, использу-ются любые источники теплоты, имеется большой ресурс работы.

В зависимости от назначения ТЭГ могут преобразовывать в электрическую энергию теплоту, полученную в атомных реакторах, энергию солнечной радиации, энергию органического топлива и т. д. Тепловая энергия, полученная в результате распада радиоактивных изотопов и деления ядер тяжелых элементов в реакторах, стала применяться в ТЭГ с конца 50-х годов.

Принцип работы термоэлемента основан на эффекте Зеебека, сущ-ность которого состоит в том, что в замкнутой цепи, состоящей из разнородных материалов, протекает ток при разных температурах контактных материалов.

Для промышленных ТЭГ требуется температуру горячего спая довести примерно до 1100 оС. При таком повышении температуры полупро-водники различных типов проявляют тенденцию к превращению в собственно проводники, у которых числа носителей положительных и отрицательных зарядов равны. Эти заряды при создании градиента температуры перемещаются от горячего спая к холодному в равном количестве и, следовательно, накопления потенциала не происходит, т. е. не создается термо-ЭДС.

Для работы ТЭГа можно использовать теплоту, полученную в реакторах при делении ядер тяжелых элементов. При этом необходимо определить влияние элемента сильного рационального воздействия на полупроводниковый материал, т. к. ядерное горючее может находиться в непосредственном контакте с полупроводниковым материалом.

Следует отметить, что теория и практика классического термоэлектрического преобразования энергии уже в основном исчерпали себя и в последние десятилетия существенного прогресса здесь не наблюдается. Пределы совершенствования нового принципа пока не ясны, но и уже достигнутые результаты являются достаточными для начала разработки коммерческого генератора. Такие генераторы будут предназначены для всех тех областей, где сейчас применяются термоэлектрические генераторы, то есть для “малой энергетики”. Они будут обладать такими уникальными качествами, как полная автономность, высокая надёжность, простота эксплуатации, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики. В преобразователях отсутствуют движущие части и необходимость создания больших градиентов температуры, что упрощает технологию их изготовления и удешевляет производство по сравнению как с термоэлектрическими, так и с другими энергоисточниками.

Для термоэлектрогенераторов экономически показано, что когда их КПД достигнет 15 % (сейчас реальные цифры менее 10 %), то они будут способны конкурировать со многими другими энергоисточниками. Могут быть созданы солнечные термоэлектрогенераторы, термоэлектрогенераторы на органическом топливе, изотопные и реакторные термоэлектрогенераторы (рабочий материал преобразователя обладает рекордно высокой радиационной стойкостью среди известных полупроводников). Благодаря сравнительно низкой рабочей температуре преобразователя перспективным представляется его использование для утилизации потерь тепловой энергии (двигатели внутреннего сгорания, сжигание мусора, ядерные отходы и др.). Они могут найти применение в объектах аэрокосмической, автомобильной, судостроительной, нефтяной промышленности и других областях, где необходимо наличие автономных источников электроэнергии.

Принцип действия термоэлемента основан на эффекте генерации электродвижущей силы при нагреве полупроводникового материала на основе сульфида самария (SmS) в условиях отсутствия внешних градиентов температуры. Возможны конструкции термоэлемента в двух вариантах: радиальном (рис. 4.3.1а) и плоском (рис. 4.3.1б). Радиальный вариант более функционален, а плоский – более технологичен.