Ion hóa là quá trình các nguyên tử hay phân tử trung hòa về điện nh n thêm hay mất đi electron để t o thành các ion âm hoặc dương. Ion dương đư c t o thành khi chúng hấp th đ năng lư ng(năng lư ng này phải lớn hơn hoặc bằng thế năng tương tác c a electron trong nguyên tử) để giải phóng electron, những electron đư c giải phóng này đư c gọi là những electron tự do. Năng lư ng cần thiết để xảy ra quá trình này gọi là năng lư ng ion hóa. Ion âm đư c t o thành khi m t electron tự do nào đó đ p vào m t nguyên tử mang điện trung hòa ngay l p t c bị tóm và thiết l phàng rào thế năngvới nguyên tử này, vì nó không còn đ năng lư ng để thoát khỏi nguyên tử này nữa nên hình thành ion âm.
điều kiện bình thư ng không khí gồm những nguyên tử và phân tử trung hòa về điện nên đư c xem là chất điện môi. Khi bị đốt nóng không khí tr nên d n điện do ch a nhiều h t mang điện bao gồm ion dương, ion âm.Như v y năng lư ng
h t nhân, đốt than, t p trung ánh sáng mặt tr i… Để tăng đ d n điện c a không khí ngư i ta thêm vào các lo i khí Argon, Helium.
2.3.2 Kimălo iăl ng (Liquid Metal): a.ăGi iăthi u
Kim lo i lỏng là tên thương m i c a m t lo t các h p kim vô định hình đư c phát triển b i m t Viện Công nghệ California (Caltech) nhóm nghiên c u và tiếp thị b i công nghệ kim lo i lỏng. H p kim kim lo i lỏng kết h p m t số tính năng v t liệu mong muốn, bao gồm cả s c m nh liên kếtcao, chống ăn mòn tuyệt v i, hệ số rất cao c a khả năng ph c hồi và đặc tính chống mài mòn tuyệt v i. Nó đư c sử d ng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: đồng hồ, điện tho i cảm ng… Trong máy phát điện MHD kimlo i lỏng đư c sử d ng là NaK. NaK, hoặc h p kim natri- kali là h p kim c a Kali (K) 77% và Natri (Na) 23%, thư ng là chất lỏng nhiệt đ phòng. Là lo i hóa chất công nghiệp. NaK phản ng rất mãnh liệt với nước và có thể gây cháy khi tiếp xúc với không khí, vì v y phải đư c xử lý với biện pháp phòng ngừa đặc biệt [8].
Hình 2.14: Kim lo i lỏng NaK nhiệt đ phòng
So với khí ion hóa thì kim lo i lỏng có ưu điểm là tính d n điện cao hơn và ho t đ ng nhiệt đ cấp thấp hơn m t chu trình MHD sử d ng khí ion hóa.
b.ăMáyăphátăMHDăs ăd ngăkimălo iăl ng:
Những n lực cũng đã đư c thực hiện để thay thế nhiên liệu đốt khí c a máy phát điện MHD với m t kim lo i lỏng thích h p Liquid Metal (LM) và chế đ này
chẳng h n như kim lo i lỏng, có thể đư c sử d ng trong máy phát MHD với l i thế là có đ d n điện cao hơn (khoảng 106 lần so với khí ion hóa) nhiệt đ thấp. Vì v y, m t sản lư ng điện năng h p lý có thể thu đư c bằng cách sử d ng m t kim lo i lỏng thích h p, do đó tránh đư c những vấn đề c a việc phải có v n tốc khí nhiệt đ rất cao, áp suất và lưu lư ng cho khí bị ion hóa đư c sử d ng trong sản xuất điện MHD [8].
Nghiên c u và phát triển trên hệ thống chuyển đổi năng lư ng LMMHD đư c bắt đầu vào đầu những năm 19θ0 và kể từ đó m t số khái niệm về hệ thống như v y đã đư c phát triển và m t số hệ thống đã thực sự đư c xây dựng và thử nghiệm. Kim lo i lỏng như m t chất lỏng làm việc trong các máy phát điện LMMHD đư c làm nóng trực tiếp hoặc gián tiếp để làm cho nó chảy qua các kênh MHD [8].
Hệ thống LMMHD cơ bản bao gồm hai ống kết nối với nhau t o thành hệ thống kín. M t máy tr n nằm dưới cùng c a ống d n lên và m t máy phát điện MHD m t chiều (năng lư ng điện đư c sinh ra t i đây ) đặt bên phía dưới ống d n xuống nơi tiết diện ống thu nhỏ l i . M t chất lỏng hơi / khí hoặc dễ bay hơi (như chất lỏng làm việc nhiệt đun sôi tiếp xúc trực tiếp với kim lo i lỏng nóng ) đư c đưa vào máy tr n dưới cùng c aống d n lên nhiệt đ và áp suất thích h p. M t chất lỏng hai pha có nồng đ thấp hơn đư c t o ra. Chất lỏng hai pha này t o thành m t dòng chảy và sau đó sẽ tách ra, khí trải qua quá trình giãn n với áp lực cao trong máy tr n với áp suất thấp trong thiết bị tách, thúc đẩy dòng chất lỏng chuyển đ ng và đồng th i giảm nồng đ c a nó. Dòng khí (chất lỏng làm việc ) đư c lấy ra thiết bị tách, do đó t o ra m t dòng chảy LM tr l i vào ống d n xuống. Sự khác biệt giữa áp lực giữa hai ống d n (chênh lệch áp suất th y tĩnh) và do sự khác biệt m t đ làm cho LM chuyển đ ng trong hệ thống, dòng LM chảy qua máy phát điện MHD, m t điện áp điện đư c sản sinh và hệ thống sẽ phát điện. Tốc đ dòng chảy trong vòng lặp tự điều chỉnh để cân bằng sự khác biệt m t đ giữa ống d n lên và ống d n xuống với những tổn thất ma sát dòng chảy và khả năng tăng tốc và công suất c a máy phát MHD [8].
Hệ thống LMMHD có thể kết h p đư c với các nguồn nhiệt nhiệt đ thấp, chẳng h n như năng lư ng nhiệt cấp thấp hoặc nhiệt thải công nghiệp. Các khái niệm về cách sử d ng các nguồn nhiệt, c thể là năng lư ng mặt tr i (ví d như các gương cố định, t p h p gương parabol t p trung , thấu kính Fresnel).
Ngoài ra LMMHD còn có thể sử d ng nguồn nhiệt từ địa nhiệt và chất thải h t nhân, để chuyển đổi nhiệt năng thành đ ng năng c a các LM làm phát sinh nhiều chu kỳ làm việc liên quan đến m t pha, cũng như hai pha dòng chảy chất lỏng.
2.4ăChuătrìnhăk tăh pămáyăphátăđi năMHD: 2.4.1 Chu trình Brayton:
Chu trình Brayton là m t chu trình nhiệt đ ng lực học, đặt tên theo George Brayton (1830-1892), m tkỹ sưngư i Mỹ, ngư i đã phát triển nó. Ngày nay, chu trình Brayton là nguyên lý ho t đ ng c ađ ng cơ tuốc bin khí. Giống như với các đ ng cơ đốt trong khác, chu trình Brayton là chu trình m , dù cho trong nghiên c u nhiệt đ ng lực học, đôi khi có thể đặt giả thuyết rằng khí thải ra đư c dùng l i để đầu vào, để hệ tương đương với chu trình kín. Chu trình Brayton còn đư c biết đến với tên gọi chu trình Joule.
Ngày nay chu trình Brayton đư c nhắc đến trong đ ng cơ tuốc bin khí. Đ ng cơ này cũng có ba phần:
Buồng nén khí Buồng đốt
Buồng giãn n làm quay tuốc bin
Không khí đư c hút vào buồng nén, đư c làm tăng áp suất theo quá trình gần vớiđẳng entropy. Khí đã nén ch y sang buống đốt, nơi nhiên liệu đư c phun vào và đốt nóng, làm tăngnhiệt đ khí trong m t quá trìnhđẳng áp, do buồng đốt m thông cho dòng khí chảy vào và ra. Khí áp suất và nhiệt đ cao đư c giãn n t i buồng giãn n đẩy các cánh qu t c a tuốc bin; theo quá trình giãn n đẳng entropy. M t phần công năng cung cấp cho tuốc bin đư c dùng vào việc nén khí buồng nén khí.
Hình 2.17: Chu trình Brayton lý tư ng [7]
Chu trình Brayton lý tư ng: P - áp suất; v - thể tích; q - nhiệt lư ng; T - nhiệt đ °K; s - entropy. 1-2: Nén đẳng entropyt i máy nén; 2-3: gia nhiệtđẳng áp t i buồng đốt; 3-4: giãn n sinh công đẳng entropy t i tuốc bin; 4-1: khép kín chu trình đẳng áp bên ngoài môi trư ng.
Trên thực tế, quá trình nén khí và giãn n không thực sự đẳng entropy; và công năng bị hao h t trong các quá trình này làm giảmhiệu suất nhiệt đ ng lực học c a đ ng cơ. Công có ích do đ ng cơ sinh ra đư c thể hiện bằng diện tích hình khép kín 1 ậ 2 ậ 3 ậ4. Diện tích này càng lớn thì công có ích và hiệu suất càng lớn, để tăng diện tích này thì phải tăng áp suất sau máy nén c a điểm 2;3 (áp suất c a điểm 4;1 là áp suất môi trư ng không thể giảm xuống đư c) nên hiệu suất đ ng cơ đư c quyết định bằng tỷ số nén. Việc tăngtỷ số néngiúp cải thiện hiệu suất và công suất c a hệ thống Brayton.
Hiệu suất c a chu trình Brayton là:
1 / 1 1 2 2 1 T 1 P T P (2.19) 2.4.2 Chu trình Rankine:
Chu trình Rankine là m t chu kỳ nhiệt đ ng lực lý tư ng c a m t đ ng cơ nhiệt có thể chuyển đổi nhiệt thành công năng cơ khí. Nhiệt đư c cung cấp bên ngoài để m t vòng khép kín, thư ng sử d ng nước như chất lỏng làm việc. Dưới
sử d ng trên toàn thế giới, bao gồm hầu như tất cả sinh khối, than, các nhà máy nhiệt điện và điện h t nhân năng lư ng mặt tr i. Nó đư c đặt theo tên William John Macquorn Rankine, m t nhà bác học ngư i Scotland [2].
Chu trình Rankine mô tả chặt chẽ quá trình mà đ ng cơ nhiệt hơi nước ho t đ ng thư ng thấy trong các nhà máy nhiệt điện t o ra năng lư ng. Các nguồn nhiệt sử d ng trong các nhà máy này thư ng phản ng phân h ch h t nhân hoặc quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa th ch như than đá, khí tự nhiên và dầu.
Hình 2.18: Bố trí c a bốn thiết bị chính đư c sử d ng trong chu trình Rankine [2] Hiệu suất c a chu trình Rankine:
Wtuabinhoi Wbom Wtuabinhoi
rankine
vao vao
Q Q
CH NGă3
PHÂN TÍCH CHU TRÌNH
3.1ăXơyăd ngăchuătrìnhăMHDăh năh pădùngănĕngăl ngăm tătr i:
Chu trình MHD h n h p này là m t chu trình kín dựa trên chu trình Brayton bao gồm:
- Nguồn nhiệt ho t đ ng (B thu NLMT): cung cấp nhiệt lư ng cho chu trình ho t đ ng (Qin) với nhiệt đ c a chất khí từ 17000K đến 2η000K.
- Máy phát MHD: sử d ng lo i máy phát d ng đĩa có hiệu suất EEtừ 3η% đến 4θ% t o ra điện năng W1.
- Thiết bị trao đổi nhiệt: nh n nhiệt lư ng còn l i c a máy phát MHD sau đó thực hiện quá trình trao đổi nhiệt cấp nhiệt cho chu trình tuabin hơi ho t đ ng.
- Máy nén khí: sử d ng máy nén với nhiều tầng nén để nâng áp suất chất khí trước khi đưa vào máy phát MHD và tuabin khí để phát điện.
- Tuabin khí: nh n năng lư ng vào với áp suất cao biến đổi nhiệt năng thành điện năng phát ra trên lưới điện W2.
- Tuabin hơi: chuyển năng lư ng c a hơi nước thành điện năng W3.
- Đ ng cơ: nh n năng lư ng từ b điều phối năng lư ng có nhiệm v kéo máy nén và tuabin ho t đ ng.
Từ các thiết bị trên ta có chu trình kết h p như sau:
Hình 3.1: Chu trình kết h p MHD h n h p dùng NLMT M là ký hiệu cho chu trình MHD.
B là ký hiệu cho chu trình Brayton.
3.2ăCácăkỦăhi uătrongăchuătrình:
- Qi : Nhiệt lư ng t i nút th i (MW). - Ti : Nhiệt đ t i nút th i (0K). - Pi : Áp suất t i nút th i (at).
- Cp : Nhiệt dung riêng c a chất khí (J/KgK). - γ : Hệ số nhiệt c a chất khí. - : Hiệu suất . - ΔQ : Tổn thất nhiệt lư ng. - Πc : Tỉ số c a máy nén. - Πs : Tỉ số nén c a các tầng nén. - N : Số tầng nén.
- τc : Tỉ số nhiệt đ raậ vào máy nén. - τs : Tỉ số nhiệt đ ra ậ vào các tầng nén.
- ΔT : Đ chênh lệch nhiệt đ . - Πt : Tỉ số áp suất ra - vào tuabin. - τt : Tỉ số nhiệt đ ra ậ vào tuabin.
- G : Lưu lư ng c a chất khí qua máy phát MHD. - PMHD : Điện năng ra khỏi máy MHD.
- Pc : Năng lư ng máy nén cần.
- Pion : Năng lư ng cần thiết để ion hóa chất khí. - W1 : Điện năng đưa lên lưới c a chu trình MHD. - W2 : Điện năng đưa lên lưới sau chu trình Tuabin khí. - W3 : Điện năng đưa lên lưới sau chu trình Tuabin hơi. - Tref : Nhiệt đ lấy m u (0K).
- Pref : Áp suất lấy m u (at).
- Si : Entropy.
3.3ăPhơnătíchăcácăkh iătrongăchuătrình: 3.3.1 Phân tích máy phát MHD:
Trong các lo i máy phát MHD thì máy phát đĩa MHD có hiệu suất cao, có thể đư c thiết kế nhỏ gọn. Năm 1994, Viện kỹ thu t Tokyo đã chế t o đư c máy phát đĩa hiệu suất ( EE) đến 22% và cho đến ngày nay hiệu suất đã đư c tăng lên đến 4θ% [6]. Để phân tích máy phát d ng đĩa ta dùng định lu t Ohm, phương trình Maxwell và phương trình năng lư ng, tronggiới h n đề tài chúng ta không tính toán thiết kế máy phát đĩa MHD mà chỉ quan tâm sử d ng hiệu suất EE c a máy phát là 35% [6] đã đư c nghiên c u để phân tích nhiệt đ ng lực học và tính toán chu trình .
Hầu hết khi phân tích máy phát điện MHD chúng ta thư ng dùng chu trình Brayton. Giả sử áp suất vào máy phát là P3M và áp suất ra là P4M thì ta có tỉ lệ áp suất vào ra MHD như sau:
1 4 EE 3 (1 ) M M MHD P P (3.1)
Phân tích nhiệt lư ng máy phát MHD
Lưu lư ng c a chất khí qua máy phát MHD là lưu lư ng chất khí ch y qua máy phát trong m t giây, lưu lư ng này ph thu c vào nhiệt lư ng bơm vào t i nguồn nhiệt giả sử là m t hằng số đư c ký hiệu là Qin, bên c nh đó còn ph thu c vào nhiệt dung riêng đẳng áp và nhiệt đ c a chất khí:
3 2 ( M M) Qin G Cp T T (3.3)
Nhiệt lư ng t i từng nút trong phân tích chu trình rất quan trọng vị nó quyết định sự cân bằng nhiệt c a chu trình và hiệu suất c a chu trình điện. Đ i lư ng này chịu sự chi phối c a ba yếu tố là lưu lư ng, nhiệt dung riêng và nhiệt đ lưu chất.
T i nút th i nhiệt lư ng đư c tính như sau: . .
QiG Cp Ti (3.4)
Điện năng sinh ra từ máy phát MHD đư c biến đổi từ nhiệt năng cung cấp vào máy phát, nó ph thu c vào thông số EE. Thông số này tùy thu c vào lo i máy phát MHD và nhiệt đ đầu vào. Hiệu suất dao đ ng từ 20% đến 4θ%. Điện năng ra khỏi máy phát chưa đưa ngay lên lưới mà đi vào b điều phối để trích ra m t phần để ion hóa chất khí trong máy phát MHD, phần điện năng ra khỏi máy phát là:
3 . EE
MHD M
P Q (3.5)
Nhiệt lư ng ra khỏi máy phát MHD không chỉ ph thu c vào máy phát MHD mà còn ph thu c vào thông số máy phát MHD và nhiệt lư ng này cung cấp cho chu trình tuabin khí:
4M 3M 3M. EE 3M. MHD
Q Q Q Q Q (3.6)
Năng lư ng cần thiết để ion hóa chất khí:
wion ion ion P (3.7)
Điện năng cung cấp từ chu trình MHD khi trích m t phần ion hóa chất khí [θ]: 1
3.3.2 Phơnătíchăb ăthuănĕngăl ngăm tătr i:
Công d ng c a b thu năng lư ng mặt tr i là t p trung các tia sáng mặt tr i vào m t điểm để làm nóng khí nén cung cấp nhiệt lư ng cho chu trình Brayton.
Nhiệt đ c a chất khí khi qua b thu [1]:
.
thu thuc quanghoc
T T (3.9)
.
bothu thu thu
T T (3.10)