3.2. МГД–генераторы на жидком металле для
автономных транспортных объектов

Высокая эффективность МГД–генераторов на низкотемпературной плазме достигается, как уже было показано выше, при температурах 2200¸3000°К. Вместе с тем используя различные агрегатные состояния жидкого металла, можно аналогично осуществить непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую. Так как электропроводность жидких металлов почти на четыре порядка выше, чем у плазмы, а скорость потока в канале на один–два порядка ниже, плотность мощности в МГД–генераторе на жидком металле может быть примерно такой же, как в плазменном МГД–генераторе. В соответствии с (2.4) плотность мощности пропорциональна . Вместе с тем температура в канале жидкометаллического генератора значительно ниже, чем в плазменном.

Энергетическая установка с жидкометаллическим МГД–генератором должна иметь следующую схему: тепло сообщает жидкому металлу определенную кинетическую энергию в процессе обмена количеством движения с расширяющимися парами этого или другого металла, а затем перед входом в канал МГД–генератора парообразная фаза должна быть удалена из жидкого металла. Пар можно отделить от жидкости, конденсируя его в процессе теплообмена с впрыскиваемой в камеру переохлажденной жидкостью или путем механической сепарации. Поэтому эти энергоустановки могут работать по двум схемам: с конденсацией и с сепарацией. Первая схема может работать с одной жидкостью, вторая может работать с двумя несмешивающимися жидкостями.

Схема жидкометаллического МГД–генератора та же, что и схема насоса, так как здесь действует принцип обратимости. Достаточно привести жидкий металл в канале в движение за счет внешнего давления и подключить к электродам внешнюю нагрузку. Как и насосы МГД–генераторы этого типа могут быть кондукционного и индукционного типов. В настоящее время наиболее проработанными являются теория и практика применения генераторов кондукционного типа. Эти генераторы, как и униполярные генераторы, являются сильноточными устройствами низкого напряжения. При обычных интенсивностях магнитного поля и скоростях металла в несколько метров в секунду генерируемые напряжения не превышают 10 В.

Обычно МГД–генераторы имеют канал диффузорного типа с малым углом раствора. Схема такого канала представлена на рис.3.5.

Рис. 3.5

Полезная мощность генератора вычисляется по формуле

,

где V– объем канала; к – фактор нагрузки .

Экспериментальные данные хорошо подтверждают эту формулу. В частности, выходная мощность в зависимости от скорости на входе в канал хорошо совладает с параболической зависимостью.

Для большей эффективности генератор должен быть снабжен системой компенсаций реакции жидкого металла (якоря). КПД жидкометаллических МГД–генераторов достаточно высок и составляет 0,85¸0,9. Жидкометаллические МГД–генераторы находят применение в составе судовых энергетических установок в качестве главных источников электроэнергии или вспомогательных.

В первом случае МГД–генератор должен обеспечивать электроэнергией:

– главный двигатель (гребной электродвигатель);

– вспомогательные механизмы и устройства;

– все виды автономных потребителей.

Высокая надежность вследствие отсутствия движущихся частей, компактность, обусловленная высокой плотностью мощности – это те качества, которые предопределяют применение энергоустановок на жидком металле с конденсацией в космических летательных аппаратах, в подводных пространствах, а также в удаленных районах, где невозможен повседневный доступ для ремонта и обслуживания. В перспективных проектах рассматриваются варианты энергоустановок мощностью до 100 МВт и более. Например, серьезно рассматриваются реализуемые проекты создания атомной космической МГД–установки мощностью 500¸1000 кВт, в которой в качестве рабочего тела используется жидкий натрий (Na).

При электрическом КПД ок. 70%, эффективный КПД всей энергоустановки составляет ок. 10 %. При скорости v = 140 м/с, электропроводности  и индукции В = 2 Тл требуемая мощность обеспечивается в канале, имеющим рабочий объем 3 · 10^–3 м³ или 3 дм³. Это доказывает компактность таких энергоустановок.