Magnetohidrodinamički generator: uređaj, princip rada i namjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-17 10:29

Nisu svi alternativni izvori energije na planeti Zemlji dosad proučeni i uspješno primijenjeni. Ipak, čovječanstvo se aktivno razvija u tom smjeru i pronalazi nove mogućnosti. Jedan od njih bio je dobivanje energije iz elektrolita, koji je u magnetskom polju.

Dizajnirani efekt i porijeklo imena

Prvi radovi na ovom polju pripisuju se Faradayu, koji je radio u laboratorijskim uvjetima još 1832. godine. Istraživao je takozvani magnetohidrodinamički učinak, odnosno tražio je elektromagnetsku pokretačku silu i pokušao je uspješno primijeniti. Struja rijeke Temze korištena je kao izvor energije. Uz naziv efekta, instalacija je dobila i naziv - magnetohidrodinamički generator.

Ovaj MHD uređaj izravno pretvara jedanoblik energije u drugu, naime mehaničku u električnu. Značajke takvog procesa i opis principa njegova rada u cjelini detaljno su opisani u magnetohidrodinamici. Sam generator je dobio ime po ovoj disciplini.

Opis djelovanja učinka

Prije svega, trebali biste razumjeti što se događa tijekom rada uređaja. To je jedini način da se razumije princip rada magnetohidrodinamičkog generatora. Učinak se temelji na pojavi električnog polja i, naravno, električne struje u elektrolitu. Potonji je predstavljen raznim medijima, na primjer, tekući metal, plazma (plin) ili voda. Iz ovoga možemo zaključiti da se princip rada temelji na elektromagnetskoj indukciji, koja koristi magnetsko polje za stvaranje električne energije.

Ispada da se vodič mora presijecati s linijama polja sile. To je pak obvezan uvjet da se unutar uređaja počnu pojavljivati tokovi iona suprotnih naboja u odnosu na pokretne čestice. Također je važno uočiti ponašanje linija polja. Magnetsko polje izgrađeno od njih kreće se unutar samog vodiča u suprotnom smjeru od onog u kojem se nalaze ionski naboji.

Definicija i povijest MHD generatora

Instalacija je uređaj za pretvaranje toplinske energije u električnu energiju. U potpunosti se primjenjuje gore navedenoPosljedica. Istodobno, magnetohidrodinamički generatori su se svojedobno smatrali prilično inovativnom i revolucionarnom idejom, čija je konstrukcija prvih uzoraka okupirala umove vodećih znanstvenika dvadesetog stoljeća. Ubrzo su sredstva za takve projekte ponestala iz razloga koji nisu posve jasni. Prve eksperimentalne instalacije su već postavljene, ali je njihova upotreba napuštena.

Prvi dizajni magnetodinamičkih generatora opisani su još 1907.-910., međutim, nisu mogli biti izrađeni zbog niza kontradiktornih fizičkih i arhitektonskih značajki. Kao primjer možemo navesti činjenicu da još nisu stvoreni materijali koji bi mogli normalno funkcionirati na radnim temperaturama od 2500-3000 stupnjeva Celzija u plinovitom okruženju. Ruski model trebao se pojaviti u posebno izgrađenom MGDES-u u gradu Novomichurinsk, koji se nalazi u regiji Ryazan u neposrednoj blizini državne elektrane. Projekt je otkazan početkom 1990-ih.

Kako uređaj radi

Konstrukcija i princip rada magnetohidrodinamičkih generatora uglavnom ponavljaju one običnih varijanti strojeva. Osnova je učinak elektromagnetske indukcije, što znači da se u vodiču pojavljuje struja. To je zbog činjenice da potonji prelazi linije magnetskog polja unutar uređaja. Međutim, postoji jedna razlika između strojnih i MHD generatora. Ona leži u činjenici da za magnetohidrodinamičke varijante kaovodič koristi samo radno tijelo.

Akcija se također temelji na nabijenim česticama na koje djeluje Lorentzova sila. Kretanje radnog fluida događa se preko magnetskog polja. Zbog toga postoje tokovi nositelja naboja s točno suprotnim smjerovima. U fazi formiranja, MHD generatori su koristili uglavnom električno vodljive tekućine ili elektrolite. Upravo su oni bili samo radno tijelo. Moderne varijacije prešle su na plazmu. Nosioci naboja za nove strojeve su pozitivni ioni i slobodni elektroni.

Dizajn MHD generatora

Prvi čvor uređaja naziva se kanal kroz koji se kreće radni fluid. Trenutno magnetohidrodinamički generatori uglavnom koriste plazmu kao glavni medij. Sljedeći čvor je sustav magneta koji su odgovorni za stvaranje magnetskog polja i elektroda za preusmjeravanje energije koja će biti primljena tijekom procesa rada. Međutim, izvori mogu biti različiti. U sustavu se mogu koristiti i elektromagneti i trajni magneti.

Dalje, plin provodi električnu energiju i zagrijava se do temperature toplinske ionizacije, koja je približno 10.000 Kelvina. Nakon što se ovaj pokazatelj mora smanjiti. Temperaturna traka pada na 2, 2-2, 7 tisuća Kelvina zbog činjenice da se radnom okruženju dodaju posebni aditivi s alkalnim metalima. Inače, plazma nije dovoljnastupanj djelotvoran, jer vrijednost njegove električne vodljivosti postaje mnogo niža od one iste vode.

Tipični ciklus uređaja

Drugi čvorovi koji čine dizajn magnetohidrodinamičkog generatora najbolje su navedeni zajedno s opisom funkcionalnih procesa u slijedu u kojem se događaju.

1. Komora za izgaranje prima gorivo napunjeno u nju. Također se dodaju oksidanti i razni aditivi.
2. Gorivo počinje gorjeti, dopuštajući stvaranje plina kao produkta izgaranja.
3. Dalje, aktivira se mlaznica generatora. Plinovi prolaze kroz njega, nakon čega se šire, a njihova brzina raste do brzine zvuka.
4. Radnja dolazi do komore koja prolazi kroz sebe magnetsko polje. Na njegovim zidovima su posebne elektrode. Ovdje plinovi dolaze u ovoj fazi ciklusa.
5. Tada radno tijelo pod utjecajem nabijenih čestica odstupa od svoje primarne putanje. Novi smjer je točno tamo gdje su elektrode.
6. Završna faza. Između elektroda nastaje električna struja. Ovdje ciklus završava.

Glavne klasifikacije

Postoji mnogo opcija za gotov uređaj, ali princip rada bit će gotovo isti u bilo kojoj od njih. Na primjer, moguće je pokrenuti magnetohidrodinamički generator na kruto gorivo poput fosilnih produkata izgaranja. Također kao izvorenergije, koriste se pare alkalnih metala i njihove dvofazne smjese s tekućim metalima. Prema trajanju rada, MHD generatori se dijele na dugotrajne i kratkoročne, a potonje - na impulsne i eksplozivne. Izvori topline uključuju nuklearne reaktore, izmjenjivače topline i mlazne motore.

Osim toga, postoji i klasifikacija prema vrsti radnog ciklusa. Ovdje se podjela javlja samo na dvije glavne vrste. Generatori otvorenog ciklusa imaju radni fluid pomiješan s aditivima. Produkti izgaranja prolaze kroz radnu komoru, gdje se pritom čiste od nečistoća i ispuštaju u atmosferu. U zatvorenom ciklusu radni fluid ulazi u izmjenjivač topline i tek tada ulazi u komoru generatora. Zatim proizvodi izgaranja čekaju kompresor, koji završava ciklus. Nakon toga se radni fluid vraća u prvi stupanj u izmjenjivaču topline.

Glavne značajke

Ako se pitanje što proizvodi magnetohidrodinamički generator može smatrati u potpunosti pokrivenim, tada bi trebali biti prikazani glavni tehnički parametri takvih uređaja. Prva od njih po važnosti je vjerojatno moć. Proporcionalan je vodljivosti radnog fluida, kao i kvadratima jakosti magnetskog polja i njegove brzine. Ako je radni fluid plazma s temperaturom od oko 2-3 tisuće Kelvina, tada mu je vodljivost proporcionalna za 11-13 stupnjeva i obrnuto proporcionalna kvadratnom korijenu tlaka.

Trebali biste također navesti podatke o brzini protoka iindukcija magnetskog polja. Prva od ovih karakteristika varira prilično široko, u rasponu od podzvučnih brzina do hipersoničnih brzina do 1900 metara u sekundi. Što se tiče indukcije magnetskog polja, ona ovisi o dizajnu magneta. Ako su izrađeni od čelika, tada će gornja šipka biti postavljena na oko 2 T. Za sustav koji se sastoji od supravodljivih magneta, ova vrijednost raste na 6-8 T.

Primjena MHD generatora

Danas se ne primjećuje široka upotreba takvih uređaja. Ipak, teoretski je moguće graditi elektrane s magnetohidrodinamičkim generatorima. Ukupno postoje tri važeće varijacije:

1. Fuzijske elektrane. Oni koriste ciklus bez neutrona s MHD generatorom. Uobičajeno je da se kao gorivo koristi plazma na visokim temperaturama.
2. Termoelektrane. Koristi se otvoreni tip ciklusa, a same instalacije su prilično jednostavne u pogledu značajki dizajna. Upravo ova opcija još uvijek ima izglede za razvoj.
3. Nuklearne elektrane. Radni fluid u ovom slučaju je inertni plin. Zagrije se u nuklearnom reaktoru u zatvorenom ciklusu. Ima i izglede za razvoj. Međutim, mogućnost primjene ovisi o nastanku nuklearnih reaktora s temperaturom radnog fluida iznad 2 tisuće Kelvina.

Perspektiva uređaja

Relevantnost magnetohidrodinamičkih generatora ovisi o brojnim čimbenicima iproblemi još uvijek neriješeni. Primjer je sposobnost takvih uređaja da generiraju samo istosmjernu struju, što znači da je za njihovo održavanje potrebno projektirati dovoljno moćne i, osim toga, ekonomične pretvarače.

Drugi vidljiv problem je nedostatak potrebnih materijala koji bi mogli raditi dovoljno dugo u uvjetima zagrijavanja goriva do ekstremnih temperatura. Isto vrijedi i za elektrode koje se koriste u takvim generatorima.

Druge upotrebe

Osim što funkcioniraju u srcu elektrana, ovi uređaji mogu raditi i u posebnim elektranama, što bi bilo vrlo korisno za nuklearnu energiju. Korištenje magnetohidrodinamičkog generatora također je dopušteno u sustavima hipersoničnih zrakoplova, ali do sada nije uočen napredak u ovom području.