Файл: Хайдуков, О. П. Электрооборудование судов учебник.pdf

ионами водорода, образуя воду. Конструкция катода такова, что газообразный кислород не может проникнуть в электролит.

Реакции, протекающие на катоде и аноде, можно записать следующими формулами:

2Н2 + 40Н " ^ 4 Н 20 + 4е~;

0 2 + 2НаО + 4е~ 40Н~;

а суммарное уравнение процесса

2Н2+ 0 2 -> 2Н2 О.

Здесь важно отметить, что в отличие от реакций, протекающих при горении, в топливном элементе молекулы водорода распада­

раствором. На катоде в реакции между кислородом и электрона­ ми участвует вода. В результате отрицательно заряженные ча­ стицы (ионы гидроокислов ОН- ) переходят в раствор, а на ме­ талле (катоде) появляется положительный заряд.

При работе топливного элемента из него должно происходить непрерывное удаление воды, что связано с определенными техни­ ческими трудностями.

Практически к. п. д. топливных элементов достигает 70%, хо­ тя он может быть и выше. При работе топливных элементов отсутствуют выхлопные газы и нет шума. Соединяя отдельные топливные элементы в батареи, можно получить статические гене­ раторы электроэнергии большой мощности и напряжения.

Широкому внедрению топливных элементов в народное хозяй­

Движущихся частей, высокий к. п. д., отсутствие следности при работе, возможность работы без связи с атмосферой, высокая готовность к действию, способность выдерживать большие пере­ грузки и др.

В будущем топливные элементы могут найти применение на различных типах судов и в первую очередь на подводных лодках

и судах небольшого водоизмещения для питания гребных электро­ двигателей.

Весьма заманчиво применение топливных элементов для элект­ родвижения паромов городских переправ, портовых буксиров, ка­ теров, речных пассажирских трамваев и т. д.

законе электромагнитной индукции. Напомним, что в соответствии с этим законом в проводнике, который движется в однородном

157

магнитном поле с линейной скоростью v, индуктируется э. д. с., равная

е = Bvl,

где В — индукция поля;

I — длина проводника.

В обычном генераторе проводником является металл (медная проволока), а в МГДГ— ионизированный газ (плазма). Степень ионизации, а значит, и электропроводность газа зависят от его температуры. Вообще электропроводность ионизированного газа зависит еще и от его состава, от давления и от напряженности магнитного поля. Практически в МГДГ может использоваться плазма с температурой от 2000°К и выше.

На рис. 93 показан принцип действия магнитогидродинамиче­ ского генератора.

Ионизированный газ 1 с большой скоростью движется в трубе 2 и пересекает магнитное поле, созданное электромагнитной ка­ тушкой возбуждения 3. В движущейся плазме индуктируется э. д. с., которая при помощи электродов 4 замыкается на внешнюю цепь с нагрузкой Ra.

Реальная энергетическая установка с МГДГ включает в себя камеру сгорания, теплообменники, компрессоры и насосы, а так­ же турбины для использования тепла отработанных газов. К. п. д. такой электростанции составляет 50—60%, и она может работать на любом топливе.

Несмотря на то что принцип действия МГДГ прост, практиче­ ское осуществление его представляет немалые трудности. Преж­ де всего эти трудности связаны с высокой температурой плазмы. Как уже отмечалось выше, электропроводность плазмы повыша­ ется с ростом ее температуры. В реально существующих МГДГ применяется плазма с температурой 2500—2600°С. Обычно же продукты сгорания имеют температуру около 1500°С. Для повы­ шения температуры плазмы воздух перед подачей в камеру сго­ рания подогревают и обогащают кислородом; Электропроводность

158

проводником.

В электромашинных генераторах магнитный поток возбужде­ ния проходит по железу и только в двух местах пересекает неболь­ шой воздушный зазор. Для создания этого потока требуется от­ носительно небольшая 'намагничивающая сила обмотки возбужде­ ния. В МГДГ магнитный поток почти целиком замыкается по не­ магнитным материалам и по воздуху. Поэтому для его создания требуется огромная намагничивающая сила. Расчеты показывают, что для создания магнитного поля МГДГ мощностью 25000 кВт обычным способом требуются электромагниты весом 400 т. Вели­ ка и мощность, потребляемая этими электромагнитами, что непо­ средственно отражается на к. п. д. всей установки.

В настоящее время задача создания магнитного поля МГДГ успешно решается за счет использования явления сверхпроводи­ мости. Электромагниты конструируются из сверхпроводящих об­ моток. Обмотки, выполненные, например, из сплава ниобия с оло­ вом или ниобия с цирконием при очень низких температурах ста­ новятся сверхпроводящими, т. е. их электрическое сопротивление равно нулю. Это обстоятельство позволяет пропускать через них очень большой ток при малых затратах электроэнергии. Такие электромагниты создают поле напряженностью в несколько десят­ ков тесл и тем самым позволяют значительно увеличить удельную мощность МГДГ при скорости движения плазмы до 600 м/с.

В СССР работает электростанция полупромышленного типа с МГДГ мощностью 25000 кВт. Опыт работы этой электростанции позволит решить ряд сложных научно-технических проблем, и тог­ да встанет вопрос о применении магнитогидродинамических гене­ раторов на судах с мощными энергетическими установками.

в цепи, состоящей из двух различных металлов, сплавов или полу­ проводников, если одно из контактных соединений (спаев) этой цепи нагревать, а другое — охлаждать. Такая цепь (рис. 94, а) в технике получила название термопары. Величина э. д. с. одного термоэлемента определяется формулой

Е = а (Г / — Т2),

159

контактных материалов, мкВ/град.

Для создания относительно мощного ТЭГ необходимо соеди­ нить в одном устройстве большое количество термоэлементов (тер­ мопар).

Очень серьезный недостаток термоэлементов заключается в крайне низком к. п. д. (менее 1%). Объясняется это прежде все­ го тем, что тепло быстро передается от нагретых спаев к холод­ ным.

Советский ученый А. Ф. Иоффе еще в 1929 г. предложил ис­ пользовать в термоэлементах полупроводниковые материалы, которые обладают меньшей электропроводностью и позволяют получить более высокую э. д. с. К- п. д. термоэлемента уже тогда удалось повысить до 2—4%. Однако почти в течение 20 лет ис­ пользование термоэлементов как источника электроэнергии счи­ талось бесперспективным.

В последние два десятилетия интерес к ТЭГ резко повысился. Основная и чуть ли не единственная проблема, препятствующая промышленному использованию ТЭГ, — это низкий к. п. д., кото­ рый зависит от термоэлектрических свойств применяемых мате­ риалов. Проведено исследование большого количества самых раз­ личных материалов. В настоящее время изготовляются не только экспериментальные, но и промышленные образцы ТЭГ, и хотя к. п. д. их пока не превышает 10%, есть все основания надеяться, что его удастся поднять до 15—20%.

Использование термоэлектрических генераторов на судах пред­ ставляет большой интерес, так как можно утилизировать тепло главной силовой установки, используя для охлаждения холодных спаев морскую воду. Не менее интересна и возможность исполь­ зования на судне термоэлектрического генератора в режиме хо­ лодильника. Дело в том, что термоэлемент обратим. Если через него пропускать электрический ток от постороннего источника, изменив его направление по сравнению с генераторным режимом, то один из спаев будет охлаждаться, а другой — нагреваться. Та­ кие холодильники созданы.

Принцип действия т е р м о э м и с с и о н н о г о г е н е р а т о р а (ТЭМГ) основан на явлении термоэлектронной эмиссии. Это яв­

щее пространство электроны.

Схематически конструкция ТЭМГ выглядит довольно просто (см. рис. 91, б). Две пластины из металлов или специальных спла­ вов, одна из которых является катодом 1, а другая — анодом 3, разделены изоляционными прокладками 2. К катоду подводится тепло, и с его разогретой поверхности вырываются электроны и движутся в направлении анода. В результате этого анод приоб­ ретает отрицательный заряд, а катод —положительный. Если

160