Generator magnetohydrodynamiczny: urządzenie, zasada działania i cel

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 10:38

Nie wszystkie alternatywne źródła energii na planecie Ziemia zostały dotychczas zbadane i skutecznie zastosowane. Niemniej jednak ludzkość aktywnie rozwija się w tym kierunku i znajduje nowe opcje. Jednym z nich było pozyskanie energii z elektrolitu, który znajduje się w polu magnetycznym.

Zaprojektowany efekt i pochodzenie nazwy

Pierwsze prace w tej dziedzinie przypisuje się Faradayowi, który pracował w warunkach laboratoryjnych już w 1832 roku. Badał tzw. efekt magnetohydrodynamiczny, a raczej szukał elektromagnetycznej siły napędowej i próbował ją z powodzeniem zastosować. Jako źródło energii wykorzystano nurt Tamizy. Wraz z nazwą efektu instalacja otrzymała również swoją nazwę – generator magnetohydrodynamiczny.

To urządzenie MHD bezpośrednio je konwertujeforma energii w inną, mianowicie mechaniczną w elektryczną. Cechy takiego procesu i opis zasady jego działania jako całości są szczegółowo opisane w magnetohydrodynamice. Sam generator został nazwany po tej dyscyplinie.

Opis działania efektu

Przede wszystkim powinieneś zrozumieć, co dzieje się podczas pracy urządzenia. Tylko w ten sposób można zrozumieć zasadę działania generatora magnetohydrodynamicznego. Efekt opiera się na pojawieniu się pola elektrycznego i oczywiście prądu elektrycznego w elektrolicie. Ten ostatni jest reprezentowany przez różne media, na przykład ciekły metal, plazmę (gaz) lub wodę. Z tego możemy wywnioskować, że zasada działania opiera się na indukcji elektromagnetycznej, która wykorzystuje pole magnetyczne do generowania elektryczności.

Okazuje się, że przewodnik musi przecinać się z liniami pola sił. To z kolei jest warunkiem koniecznym, aby we wnętrzu urządzenia zaczęły pojawiać się przepływy jonów o przeciwnych ładunkach względem poruszających się cząstek. Ważne jest również, aby zwrócić uwagę na zachowanie linii pola. Zbudowane z nich pole magnetyczne porusza się wewnątrz samego przewodnika w kierunku przeciwnym do tego, w którym znajdują się ładunki jonowe.

Definicja i historia generatora MHD

Instalacja jest urządzeniem do przetwarzania energii cieplnej na energię elektryczną. W pełni stosuje się do powyższegoEfekt. Jednocześnie generatory magnetohydrodynamiczne uważano swego czasu za dość nowatorski i przełomowy pomysł, którego budowa pierwszych próbek zaprzątała umysły czołowych naukowców XX wieku. Wkrótce finansowanie takich projektów skończyło się z przyczyn, które nie są do końca jasne. Powstały już pierwsze instalacje eksperymentalne, ale z ich użytkowania zrezygnowano.

Pierwsze projekty generatorów magnetodynamicznych zostały opisane w latach 1907-910, jednak nie mogły one powstać ze względu na szereg sprzecznych cech fizycznych i architektonicznych. Jako przykład możemy przytoczyć fakt, że nie powstały jeszcze materiały, które mogłyby normalnie funkcjonować w temperaturach roboczych 2500-3000 stopni Celsjusza w środowisku gazowym. Rosyjski model miał pojawić się w specjalnie zbudowanym MGDES w mieście Nowomiczurinsk, które znajduje się w obwodzie riazańskim, w bliskim sąsiedztwie elektrowni okręgu państwowego. Projekt został odwołany na początku lat 90.

Jak działa urządzenie

Konstrukcja i zasada działania generatorów magnetohydrodynamicznych w większości powtarzają te ze zwykłych wariantów maszyn. Podstawą jest efekt indukcji elektromagnetycznej, co oznacza, że w przewodniku pojawia się prąd. Wynika to z faktu, że ten ostatni przecina linie pola magnetycznego wewnątrz urządzenia. Istnieje jednak jedna różnica między generatorami maszynowymi a generatorami MHD. Polega to na tym, że dla wariantów magnetohydrodynamicznych jakoprzewodnik jest używany bezpośrednio przez sam korpus roboczy.

Działanie opiera się również na naładowanych cząsteczkach, na które oddziałuje siła Lorentza. Ruch płynu roboczego następuje w poprzek pola magnetycznego. Z tego powodu występują przepływy nośników ładunku o dokładnie przeciwnych kierunkach. Na etapie powstawania generatory MHD wykorzystywały głównie ciecze lub elektrolity przewodzące prąd elektryczny. To oni byli bardzo pracującym ciałem. Nowoczesne odmiany przeszły na plazmę. Nośnikami ładunku dla nowych maszyn są jony dodatnie i wolne elektrony.

Projektowanie generatorów MHD

Pierwszy węzeł urządzenia nazywany jest kanałem, przez który przepływa płyn roboczy. Obecnie w generatorach magnetohydrodynamicznych głównym medium jest plazma. Kolejnym węzłem jest układ magnesów, które odpowiadają za wytworzenie pola magnetycznego oraz elektrod, które przekierowują energię, która zostanie odebrana podczas procesu pracy. Jednak źródła mogą być inne. W systemie można stosować zarówno elektromagnesy, jak i magnesy trwałe.

Następnie gaz przewodzi elektryczność i nagrzewa się do temperatury jonizacji termicznej, która wynosi około 10 000 kelwinów. Po tym wskaźnik musi zostać zmniejszony. Pasek temperatury spada do 2, 2-2, 7 tys. Kelwinów dzięki temu, że do środowiska pracy dodawane są specjalne dodatki zawierające metale alkaliczne. W przeciwnym razie plazma nie wystarczystopień efektywny, ponieważ wartość jego przewodności elektrycznej staje się znacznie niższa niż tej samej wody.

Typowy cykl urządzenia

Inne węzły składające się na konstrukcję generatora magnetohydrodynamicznego najlepiej wymienić wraz z opisem procesów funkcjonalnych w kolejności ich występowania.

1. Komora spalania przyjmuje załadowane do niej paliwo. Dodaje się również utleniacze i różne dodatki.
2. Paliwo zaczyna się palić, umożliwiając tworzenie się gazu jako produktu spalania.
3. Następnie aktywowana jest dysza generatora. Przechodzą przez nią gazy, po czym rozszerzają się, a ich prędkość wzrasta do prędkości dźwięku.
4. Akcja dochodzi do komory, która przepuszcza przez siebie pole magnetyczne. Na jego ścianach znajdują się specjalne elektrody. To tutaj gazy wchodzą na tym etapie cyklu.
5. Następnie ciało robocze pod wpływem naładowanych cząstek odchyla się od swojej pierwotnej trajektorii. Nowy kierunek jest dokładnie tam, gdzie znajdują się elektrody.
6. Ostatni etap. Między elektrodami generowany jest prąd elektryczny. Tutaj kończy się cykl.

Główne klasyfikacje

Opcji gotowego urządzenia jest wiele, ale zasada działania będzie praktycznie taka sama w każdym z nich. Na przykład możliwe jest uruchomienie generatora magnetohydrodynamicznego na paliwo stałe, takie jak produkty spalania kopalnego. Również jako źródłoenergii, stosuje się pary metali alkalicznych i ich dwufazowe mieszaniny z ciekłymi metalami. W zależności od czasu działania generatory MHD dzielą się na długoterminowe i krótkoterminowe, a te ostatnie na pulsacyjne i wybuchowe. Źródła ciepła obejmują reaktory jądrowe, wymienniki ciepła i silniki odrzutowe.

Ponadto istnieje również klasyfikacja według rodzaju cyklu pracy. Tutaj podział występuje tylko na dwa główne typy. Generatory o cyklu otwartym posiadają płyn roboczy zmieszany z dodatkami. Produkty spalania przechodzą przez komorę roboczą, gdzie są oczyszczane z zanieczyszczeń w procesie i uwalniane do atmosfery. W obiegu zamkniętym płyn roboczy dostaje się do wymiennika ciepła, a dopiero potem do komory generatora. Następnie produkty spalania czekają na sprężarkę, która kończy cykl. Następnie płyn roboczy powraca do pierwszego stopnia w wymienniku ciepła.

Główne cechy

Jeżeli pytanie o to, co wytwarza generator magnetohydrodynamiczny można uznać za w pełni omówione, to należy przedstawić główne parametry techniczne takich urządzeń. Pierwszym z nich, który ma znaczenie, jest prawdopodobnie władza. Jest proporcjonalna do przewodności płynu roboczego, a także do kwadratów natężenia pola magnetycznego i jego prędkości. Jeżeli płynem roboczym jest plazma o temperaturze około 2-3 tys. Kelwinów, to przewodność jest do niej proporcjonalna w zakresie 11-13 stopni i odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego ciśnienia.

Należy również podać dane dotyczące natężenia przepływu iindukcja pola magnetycznego. Pierwsza z tych cech jest bardzo zróżnicowana, od prędkości poddźwiękowych do prędkości naddźwiękowych do 1900 metrów na sekundę. Indukcja pola magnetycznego zależy od konstrukcji magnesów. Jeśli są wykonane ze stali, to górna belka będzie ustawiona na około 2 T. W przypadku systemu składającego się z magnesów nadprzewodzących wartość ta wzrasta do 6-8 T.

Zastosowanie generatorów MHD

W dzisiejszych czasach nie obserwuje się szerokiego stosowania takich urządzeń. Niemniej jednak teoretycznie możliwa jest budowa elektrowni z generatorami magnetohydrodynamicznymi. W sumie istnieją trzy prawidłowe odmiany:

1. Elektrownie termojądrowe. Używają cyklu bezneutronowego z generatorem MHD. Zwyczajowo jako paliwo stosuje się plazmę w wysokich temperaturach.
2. Elektrownie cieplne. Stosowany jest cykl otwarty, a same instalacje są dość proste pod względem cech konstrukcyjnych. To jest ta opcja, która wciąż ma perspektywy rozwoju.
3. Elektrownie jądrowe. Płynem roboczym w tym przypadku jest gaz obojętny. Jest podgrzewany w reaktorze jądrowym w obiegu zamkniętym. Ma też perspektywy rozwoju. Jednak możliwość zastosowania uzależniona jest od pojawienia się reaktorów jądrowych o temperaturze płynu roboczego powyżej 2 tys. Kelwinów.

Perspektywa urządzenia

Istotność generatorów magnetohydrodynamicznych zależy od wielu czynników iproblemy wciąż nierozwiązane. Przykładem jest zdolność takich urządzeń do generowania tylko prądu stałego, co oznacza, że do ich utrzymania konieczne jest zaprojektowanie wystarczająco wydajnych, a ponadto ekonomicznych inwerterów.

Kolejnym widocznym problemem jest brak niezbędnych materiałów, które mogłyby pracować wystarczająco długo w warunkach nagrzewania paliwa do ekstremalnych temperatur. To samo dotyczy elektrod stosowanych w takich generatorach.

Inne zastosowania

Oprócz funkcjonowania w sercu elektrowni, urządzenia te są w stanie pracować w specjalnych elektrowniach, co byłoby bardzo przydatne dla energetyki jądrowej. Stosowanie generatora magnetohydrodynamicznego jest również dozwolone w naddźwiękowych systemach lotniczych, ale jak dotąd nie zaobserwowano postępu w tej dziedzinie.