等离子体及磁流体发电技术

等离子体及磁流体发电技术 2004 年第 5 期煤矿机械?53 ? () 文章编号 :100320794 20040520053202 等离子体及磁流体发电技术 郭铁梁 ()黑龙江科技学院 , 黑龙江 哈尔滨 150027 摘 要 : 首先介绍了等离子体是物质存在的第 4 种形态以及等离子体的基本电磁性质 ,然后 介绍了等离子体的应用技术之一 —磁流体发电的基本原理和磁流体发电系统的几个主要特点 ,最 后介绍了磁流体发电的应用前景 。 关键词 :等离子体 ; 磁流体 ; 发电 中图号 :TM915 ; TM916 文献标识码 : A 1 物质第 4 态 随着温度的升高 ,一般物质依次现为固态 、液 态和气态 ,物质分子排列的有序程度逐级降低 。当 图 1 MHD 发电机的简略图示 气体的温度再进一步升高 ,其中许多甚至全部的分 Fig. 1 Simple MHD generating 子或原子将由于激烈的相互碰撞而离解为电子和正 燃料和氧化剂通过喷油嘴注入燃烧室 , 产离子 ,这时物质将进入一种新的状态 。这种主要由 () 3 000 K 左右的高温燃气 等离子体,经过喷管加 () 大量带电离子 电子和离子以及不带电的中性粒子 到 1 000 mΠs ,然后进入垂直磁场中的通道 ,洛仑兹 () 如原子 、分子所组成 ,且在整体上表现为电中性的 ev ×B 引起离子、电子分别趋向两电极 ,从而使 2电离气体便是等离子体 ,称为物质第 4 态或等离子 电极间产生电势差 ,然后就能从电极引出电流 。态 。据估计 , 宇宙中 99 %以上的物质处于等离子 果不断地提供等离子体 ,就能在两电极上连续地 态 。只有行星和某些星际物质及微尘云处于汽液固出电能 。不是任何高速高温气流流过发电通道都 3 态 ,这只是宇宙中极小的一部分 。例如太阳就是 一个灼热的等离子体火球 ,当出现色球爆炸时 ,将发 发电的 ,必须是具有一定电导率的高速电离气体 , 射出强大的等离子体云 ,这是以质子和电子组成的 通常所说的等离子体 ,才能在磁场作用下产生热 等离子体流 ,即所谓的太阳风 。地球上闪电 、极光也 转换 。图 2 表示磁流体发电机的基本原理和结构 是等离子体 ,除此以外 ,等离子体只能人为产生 。 意图 。 2 等离子体的电磁性质 从普通气体到等离子体没有明显的相变阶段 , 主要的差别在于其电磁性质 。普通气体中的粒子主 要进行杂乱的热运动 ,而等离子体除热运动外 ,还能 产生等离子体振荡 ,特别在有外磁场存在的情况下 , 等离子体因为具有大量的电子和正离子而成为良好 的导体 ,宏观电磁场对它有明显的影响 。但普通气 体是绝缘体 ,它对电磁场几乎没什么反应 。另一方 面 ,由于等离子体在宏观上呈电中性 ,且为气体 ,所 以 ,一般气体定律及许多关系仍适用于等离子体 。 图 2 MHD 发电机的基本原理和结构示意图 3 等离子体的应用之一 —磁流体发电技术 Fig. 2 The structure of MHD generating 3 11 磁流体发电的基本工作原理11 燃烧室 21 阴极 31 磁场线圈 41 通道 51 负荷 61 阳极 磁流体发电也叫 MHD 发电 ,是利用高温高速等 普通气体大约需要加温到 6 000 ?以上才能离子体在磁场中切割磁力线产生感应电动势来发 生微弱的电离 ,总的来说 ,这样高的温度是一般碳 电 。与普通发电机相比较 ,不同之处在于磁流体发 燃料燃烧方式所不可能达到的 。要使气体具有磁 电机是由导电的高温燃气切割磁场发电的 ,而不是 体发电机所要求的电导率 ,一方面采用可能达到 金属导体切割磁场发电 。 高温度的燃烧方式 ,如纯氧燃烧 、富氧燃烧或将助 图 1 表示了最简单的磁流体发电机 ,由燃料室 、 气体预热至 1 700 K 以上 。另一方面 ,则在高温燃通道 、磁体 3 个基本部件组成 。其工作过程大致如 中添加一定重量比的容易电离的低电离能的物质 这些低电离能的物质称作种子 。在自然界中 ,铯的有上述的大气污染 ,但同样有热污染 ,特别是放射性 电离能量低 , 为 3 . 9 ev , 其次是钾 , 其电离能为 4 .物质的污染 ,还必须采取特殊的措施 。 磁流体的发3 ev ,但铯的价格贵 。因此 ,只用在封闭式循环磁流 电由于技术本身要求燃气中加进一 体发电机中 ,对开放式循环燃烧磁流体发电机 ,一般 定重量百分比的钾盐作种子 ,钾与硫具有很强的化 采用钾盐作种子 。 学亲和力 。因此 ,燃气在经过通道发电进入下一级 ( ) 蒸汽的锅炉时 ,随着温度的降低 ,燃气中的种子逐渐假定气流的速度为 u mΠs, 磁感应强度为 B ( ) () T,电极间的距离为 h m,则两极间的感应电势形成硫酸钾 ,最后为种子回收装置所收集 。这样 ,就 ε对原来燃料中的硫成分起到了自动脱硫的作用 ,大 = uB h 大减少了对大气的污染 。此外 ,由于磁流体发电的 σ( ) 如果气流的电导率为SΠm,则由电磁感应产 总循环效率比较高 ,这样热污染就自然要比普通火 生的电流密度 力发电厂少 1Π3 左右 ,而比普通原子能电厂要减少σ( )J =uB - E 1Π2 以上 。 E ———外负荷的电场 。式中 () 3发电设备结构紧凑 ,启停迅速 因为磁流体发电机的单位体积的输出功率2 2() 发电以导电流体 等离子体代替了 )σ (kuB P = k 1 - 一般发电设备中的转子 ,以磁体代替了定子 ,省去了 k ———负荷系数 , 定义为外负荷电压降和感式中 机械旋转部件 ,又不需高压蒸汽去推动汽轮机 ,从而 应电势之比 。 达到了提高热效率和简化设备的目的 。磁流体发电 在理想情况下 ,磁流体发电机的输出功率和速 站的造价约为常规同容量火力电站的 1Π4 左右 , 这 度与磁密的平方成正比 ,并且具有一般发电机的输 一优点是十分吸引人的 。磁流体发电的另一个诱人 出特性 。即当磁流体发电机的电阻等于外负荷电阻 之处在于它启停极为迅速 ,从点火到满负荷运转 ,只 时 ,发电机的输出功率最大 。但实际的磁流体发电 ,这是一般发电系统无法与之比拟的 。需几十秒时间 机 ,其关系要复杂得多 ,这里不详细介绍 。 磁流体发电系统的这一优点赋予它具有适应某些特3 12 磁流体发电系统的几个主要特点 磁流体发电殊应用的能力 ,如特别适用于军事设备和科研装置 是一种新型直接发电方式 ,与传统 的一些需要短时间大功率电源或尖峰负荷电源 。 的火力发电相比 ,具有以下主要特点 : 4 结语() 1效率高 磁流体发电并没有为人类开辟任何磁流体发电是一门综合性十分强的技术 ,它必 新的能源 。 须应用其他尖端科学技术领域的最新成就 ,才能体 磁流体发电机和普通火力发电机从整个热循环效率 现出本身的优越性 。譬如 ,不采用超导体 ,就谈不上 角度来比较 ,磁流体发电机的效率高 。据报道 ,目前 磁流体发电的高效率 ,没有性能优异的高温材料 ,也 最新式的普通火力发电厂的效率大约为 40 % ,而磁 不太可能有长的寿命 。没有高效率的种子回收装置 流体发电能大幅度地提高能源的利用率 ,可达 60 % 和其他相应措施 ,根本谈不上减少环境污染 ,等等 。 以上 。如一个 100 万 kW 的火力发电厂 , 如果采用 磁流体发电的发展前景取决于磁流体动力学 、高温磁流体 —蒸汽动力循环系统 , 可节约煤 100 万 tΠa 。 技术 、低温超导技术 、等离子物理和热物理等科学技 美国 、前苏联 、日本 、德国 、中国等分别从事了这方面 术部门所能取得的突破与进展 ,也有赖于国际间的 的研究 ,并取得了一定成果 。 进一步广泛合作 。 参考文献 :() 2环境污染小1 马廷钧. 现代物理技术及其应用 M . 北京 : 国防工业出版社 ,随着工业生产规模的扩大 ,减少环境污染已成 2002 . 为公众日益关注并迫在眉睫的重大问题 。普通火力 2 李孝东 ,赵志洲 ,桑玉军. 物理创新M . 徐州 : 中国矿业大学 出版社 ,2002 . 发电厂造成环境污染 ,大体上可归结为以下 2 个方 面 : ?排烟中的氧化硫和氧化氮造成大气污染 ; ?大() 作者简介 : 郭铁梁1971 - ,黑龙江双城人 ,哈尔滨师范大学物量的冷却水排出 ,使得河水或海水的温度上升 ,破坏 理系硕士研究生毕业 ,现为黑龙江科技学院数力系教师 ,从事大学物 自然生态平衡 ,造成热污染 。这些已经在某些国家 理教学工作. 成为严重问题 ,不得不花费大量的资金 ,附加净化或 收稿日期 :2004202203 脱硫装置 ,减少对环境的污染 。原子能发电虽然没 Plasma and the technology of MHD generating GUO Tie- liang ( )Heilongjiang Institute of Science and Technology , Harbin 150027 , China Abstract : First , the article introduces that plasma is the fourth status of materials and the basic electromagnetic charac2 teristics of plasma will be told in the text . Then the theory about the technology of MHD generating is introduced in the article . In the end , characteristics and the potential applications of MHD generating are also forecasted. Key words : plasma ; MHD ; generating