МГД-генератор замкнутого цикла с неоднородным потоком неравновесно ионизованной плазмы

Одним из условий стабильности цивилизации в 21 веке является развитие космической индустрии и энергетики. Существенным фактором этого развития станет значительное увеличение производства электроэнергии на космических объектах. Согласно существующим прогнозам, крупными потребителями производимой в космосе электроэнергии станут космические промышленные объекты /1/, двигательные системы с высокой величиной тяги и удельного импульса на основе электрических ракетных двигателей /2/ и наземные потребители, получающие энергию в виде сантиметрового СВЧ-излучения 131. Первичным источником энергии в космосе может быть либо тепло ядерного реактора, либо солнечное излучение. Высокая стоимость транспортировки грузов на околоземные орбиты приводит к тому, что основным показателем экономической эффективности космической энергетической установки будет величина удельной мощности, т. е. генерируемой электрической мощности, отнесенной к полной массе энергоустановки /4/. Для используемых в настоящее время батарей фотоэлементов этот показатель не превышает 50 Вт/кг /5/, и его перспективная максимальная величина оценивается как 200 Вт/кг 161. Альтернативой солнечным батареям может стать замкнутый газотурбинный цикл, в котором источником тепла является солнечное излучение. Разработанные в настоящее время космические газотурбинные установки имеют показатель удельной мощности на уровне 60 Вт/кг, в перспективе этот показатель может достичь значений порядка 200 Вт/кг 111. Если для рассматриваемых в настоящее время проектов космических объектов с уровнем энергопотребления до 100 кВт такой уровень удельной мощности достаточен, развитие крупномасштабной космической энергетики и транспорта потребует выхода на уровень порядка 1 кВт/кг.

Возможность удовлетворения этого требования связана с применением альтернативного газовой турбине преобразователя тепловой энергии в электрическую — МГД-генератора. Особенностью МГД-генератора является способность работать при температуре рабочего тела, значительно превышающей предельно допустимую для газовой турбины. Этим обстоятельством, из которого следует возможность повышения КПД преобразования энергии, был вызван первоначальный интерес к МГД-генераторам /8/. Однако требования к МГД-генераторам, накладываемые на них как на составную часть тепловых электростанций, не удается удовлетворить уже в течение нескольких десятков лет. Трудности, препятствующие этому, будут обсуждаться ниже. В результате более предпочтительным направлением в повышении КПД тепловых электростанций стали считаться парогазовые циклы, в случае угольных электростанций сочетаемые с установками газификации угля. В настоящее время одним из наиболее перспективных является метод преобразования химической энергии природного газа или продуктов газификации угля в электроэнергию в топливных элементах /9/. В сочетании с паровым циклом, утилизирующим остаточное тепло, этот метод позволит достичь величины КПД свыше 70%, что превышает максимальный прогнозируемый КПД ТЭС с МГД-генератором, достижимый в комбинации МГД-генератора с парогазовым циклом /10/ и равную 65−70%. В настоящее время создание такой установки коммерчески нецелесообразно из-за ее высокой стоимости и низкой стоимости углеводородного топлива.

Таким образом, задача создания МГД-электро станций для земной энергетики в настоящее время неактуальна. Специфика же космического приложения МГД-генератора состоит в том, что основным показателем эффективности в космических энергоустановках является не термический КПД, а удельная мощность. Этот показатель растет с увеличением верхней температуры цикла значительно быстрее, чем КПД. Это связано с тем, что охлаждение рабочего тела в условиях космоса возможно только с использованием теплового излучения, мощность которого пропорциональна Т4Х0Л. Повышение верхней температуры цикла дает возможность повысить и нижнюю, в результате чего значительно снижается масса радиационных панелей, составляющая существенную часть массы энергоустановки. Впервые это было показано в работе B.C. Славина и др. /11/ в предположении, что источником тепла является газоохлаждаемый ядерный реактор. Согласно проделанным расчетам, удельная мощность энергоустановки на базе газовой турбины составит около 200 Вт/кг, тогда как использование МГД-генератора позволит повысить удельную мощность до 2000 Вт/кг. В работе /12/ аналогичный расчет проделан для предложенной авторами схемы энергоустановки, использующей солнечное тепло, для которой оценки удельной мощности дают величину около 500 Вт/кг. Позднее в работе Р. Литчфорда и др. /13/ был проведен аналогичный, но более детальный анализ. Авторами рассмотрены варианты как самостоятельной энергоустановки, так и входящей в энергодвигательную систему. Показано, что удельная мощность энергоустановки составляет около 1.6 кВт/кгдля энергодвигательной установки этот показатель составит около 0.9 кВт/кг.

В качестве одного из возможных применений энергодвигательной установки в работе /12/ рассматривается пилотируемый полет к Марсу. В предполагаемом сценарии полета закладывается использование двигательной установки с величиной тяги 2000 н, питаемой энергоустановкой, основанной на солнечном концентраторе и МГД-генераторе. Анализ показал, что мощность энергоустановки должна быть не ниже 20 МВт при показателе удельной мощности 500 Вт/кг. Среди существующих проектов МГД-генераторов замкнутого цикла нет ни одного, удовлетворяющего этому показателю. Ранее было показано, что МГД-генератор, основанный на новом принципе — использовании неоднодного газо-плазменного потока инертного газа с неравновесными плазменными слоями, находящимися в состоянии «замороженной ионизации», позволит достичь этого показателя. Однако эти результаты носили предварительный характер, так как были получены при весьма сильных допущениях о кинетике процессов ионизации и рекомбинации. Нестационарные и неоднородные условия, в которых протекают эти процессы, не могли быть описаны в рамках использованной модели кинетики, применявшейся ранее для описания процессов в каналах МГД-генераторов. Таким образом, следует считать актуальной задачей разработку адекватной модели кинетики, проверку ее на известных экспериментальных данных и проведение уточняющих расчетов процессов в каналах МГД-генераторов с использованием этой кинетической модели.

Целью диссертационной работы является создание адекватной кинетической модели процессов ионизации и рекомбинации в неоднородном газоплазменном потоке инертного газа, движущегося в поперечном магнитном поле МГД-генератора, тестирование этой модели и проведение на ее основе расчетов МГД-процессов с определением интегральных параметров эффективности генераторного процесса.

Основными задачами работы являются:

1. Анализ кинетики ионизационных и рекомбинационных процессов и процессов переноса электронов в условиях неоднородно ионизованного потока чистого инертного газа в канале МГД-генератора и построение кинетической модели.

2. Проведение численного моделирования газоразрядных процессов и сравнение результатов моделирования с экспериментальными с целью проверки адекватности кинетической модели.

3. Проведение численного моделирования магнитной газодинамики и ионизационно-рекомбинационной кинетики газо-плазменного потока в канале МГД-генератора.

4. Анализ возможности осуществления эффективного МГД-преобразования энергии в неоднородном потоке неравновесно ионизованного чистого инертного газа.

Научная новизна работы заключается в разработке новой модели кинетики ионизационно-рекомбинационных процессов, адекватно описывающей процессы в неоднородном газо-плазменном потоке, движущемся в поперечном магнитном поле, и полученных с ее помощью результатов численного моделирования процессов в канале МГД-генератора.

Основные научные результаты, защищаемые автором:

1. Результаты оценок влияния неоднородности и нестационарности газоплазменного потока на плотность тока, температуру электронов и функцию распределения электронов при высоких энергиях. Обоснованание возможности нахождения этих параметров из локальных мгновенных параметров среды. Выбор и обоснование приближения для уравнения Больцмана, позволяющего эффективно решать согласованные задачи нахождения функции распределения электронов и заселенности возбужденных состояний атома.

2. Список наиболее существенных в рассматриваемых условиях процессов, приводящих к ионизации и рекомбинации электронов и ионов. Система уравнений ионизационной кинетики, составляющая вместе с уравнениями тока, температуры электронов и функции распределения высокоэнергичных электронов модель ионизационно-рекомбинационной кинетики плазмы инертного газа в условиях МГД-канала.

3. Результаты моделирования положительного столба тлеющего разряда в инертном газе, свидетельствующие о справедливости разработанной кинетической модели.

4. Результаты численного моделирования магнитной газодинамики и ионизационно-рекомбинационной кинетики газо-плазменного потока в канале МГД-генератора. Определение условий, при которых в потоке газа инициируются и поддерживаются в устойчивом состоянии плазменные слои, осуществляющие эффективное торможение потока.

Практическая ценность работы заключается в разработке и апробации модели ионизационно-рекомбинационной кинетики, которая может быть использована как в задачах моделирования неоднородных газоплазменных потоков инертных газов в каналах МГД-генераторов, так и в иных задачах со схожими условиями. Полученные результаты численного процессов в МГД-генераторе, показавшие его высокую эффективность, могут быть использованы для проектирования экспериментальных моделей подобных генераторов.

Достоверность результатов работы обеспечивается использованием надежных экспериментальных данных в качестве основы модели ионизационно-рекомбинационной кинетики и удовлетворительными результатами решения тестовой задачи — моделирования положительного столба тлеющего разряда как в диффузном, так и в контрагированном состояниях.

Личный вклад автора заключается в постановке и решении задач анализа процессов переноса электронной компоненты и ионизационно-рекомбинационных процессовразработке математической и расчетной моделей неравновесной плазмыпроведении численного моделирования и анализе его результатов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 12-й (Йокогама, 1996), 13-й (Пекин, 1999) и 14-й (Гавайи, 2002) Международнык конференциях по МГД-генераторам электроэнергии, 2-м, 3-м и 4-м Совещаниях по магнитной плазмои аэродинамике в аэрокосмических приложениях (Москва, 1999, 2000, 2001, 2002), 26-м Сибирском теплофизическом семинаре (Новосибирск, 2002).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 8 работах, а также 2 научно-технических отчетах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех содержательных глав и заключения, изложена на 137 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 22 рисунка.

Список использованных источников

содержит 82 наименования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Качественные представления о неравновесном плазменном слое, вытекающие из необходимости осуществления устойчивого процесса МГД-преобразования энергии, дали возможность рассмотреть кинетику процессов переноса электронного газа и ионизационно-рекомбинационных процессов.

Показано, что в условиях большой величины параметра Холла, характерных для неравновесной плазмы МГД-генераторов замкнутого цикла, распределение электронов с энергией порядка средней является максвелловским, что дает возможность записать уравнение на температуру электронов, решаемое совместно с уравнением обобщенного закона Ома. Используя характерные пространственный и временной масштабы изменения параметров плазмы в неравновесном плазменном слое, проделаны оценки влияния неоднородности и нестационарности на электрический ток и температуру электронов. Выяснено, что влияние неоднородности и нестационарности несущественно и уравнения, определяющие ток и температуру электронов, являются локальными.

Рассмотрено распределения электронов в области высоких энергий, формируемое под действием упругих и неупругих столкновений и электрического и магнитного полей. С использованием приближение Чепмена-Энскога записано уравнение на нулевой и первый момент функции распределения. Проделаны оценки влияния неоднородности и нестационарности. Выяснено, что локальное приближение справедливо в областях плазменного слоя со степенью ионизации более 10~6. В результате было записано уравнение функции распределения электронов по энергии, имеющее вид обыкновенного дифференциального уравнения. Разработан метод решения уравнения на функцию распределения, позволяющий получать зависимость констант возбуждения от концентраций возбужденных состояний.

Анализ процессов переходов между возбужденными состояниями неона привел к модели, учитывающей пять эффективных энергетических уровней. Оценки интенсивностей столкновительных и излучательных процессов показали, что в условиях неравновесного плазменного слоя влияние на концентрации возбужденных состояний групп 3s и 3s' оказывают электронно-столкновительные процессы и тушение в атом-атомных столкновениях, на концентрации более высоковозбужденных состояний — электронно-столкновительные и излучательные. Итогом рассмотрения стала система уравнений, записанная для концентраций пяти эффективных возбужденных уровней и молекулярных ионов. Результатом решения системы является результирующая интенсивность ионизационно-рекомбинационных процессов и мощность излучения плазмы в линиях. .

Численное моделирование положительного столба разряда высокого давления с использованием сформулированной модели ионизационно-рекомбинационной кинетики дало результаты, хорошо согласующиеся с экспериментальными как для диффузного, так и для контрагированного состояния положительного столба. На основе полученных результатов был сделан вывод об адекватности кинетической модели в условиях плотной плазмы при степени ионизации Ю-6 -гЮ-4.

Проведено численное моделирование процесса инициирования плазменного слоя из начального возмущения степени ионизации, имеющего величину порядка 106. На ранних стадиях развития разряда наблюдается обострение распределения ионизации, однако при достижении последней величины около Ю-3 рост ионизации прекращается благодаря влиянию электрон-ионных столкновений, приводящего к падению температуры электронов. При этом в более слабоионизованных областях рост ионизации продолжается, что приводит к расширению сильноионизованной области. Таким образом, в численном моделировании наблюдается известный эффект возникновения структуры сильноточного диффузного разряда. Результат моделирования в дальнейшем используется как начальное условие для плазменного слоя в МГД-канале.

В ходе параметрического анализа результатов, выдаваемых кинетической моделью, уточнены условия реализации устойчивого МГД-процесса. Рассматривая режим «замороженной ионизации» как режим, в котором ионизационно-рекомбинационные процессы не приводят к сильному изменению ионизации в плазменном слое за пролетное время, выяснено, что этот режим реализуется в достаточно широком интервале температуры электронов при условии повышенной величины температуры газа Th > 3000 К. Отсюда вытекает необходимость дополнительного нагрева газа в плазменных слоях. Такой нагрев может быть осуществлен в ходе процесса инициирования.

Численное моделирование течения газа, несущего неравновесные плазменные слои в МГД-канале, показало возможность реализации режима МГД-преобразования энергии с высокой эффективностью: 0.41 для степени преобразования энтальпии и 0.79 для адиабатической эффективности. Достигнутые параметры эффективности удовлетворяют требованиям, накладываемым на МГД-генератор, работающий в качестве преобразователя энергии в космической энергоустановке. В общих чертах подтвердились результаты предварительных исследований, согласно которым характер течения газа, тормозимого множественной структурой плазменных слоев, близок к однородному и в нем отсутствуют сильные ударные волны. Поток претерпевает сильное торможение в МГД-канале, благодаря чему переход дозвуковому режиму течения происходит без существенных потерь давления торможения.