Магнитохидродинамичен генератор: устройство, принцип на действие и предназначение

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-17 10:19

Не всички алтернативни източници на енергия на планетата Земя са проучени и успешно приложени досега. Въпреки това човечеството активно се развива в тази посока и намира нови възможности. Едно от тях беше да се получи енергия от електролита, който е в магнитно поле.

Проектиран ефект и произход на името

Първите произведения в тази област се приписват на Фарадей, който е работил в лабораторни условия още през 1832 г. Той изследва така наречения магнитохидродинамичен ефект, или по-точно, той търси електромагнитна движеща сила и се опитва да я приложи успешно. Течението на река Темза е използвано като източник на енергия. Заедно с името на ефекта инсталацията получи и името си - магнитохидродинамичен генератор.

Това MHD устройство директно преобразува едноформа на енергия в друга, а именно механична в електрическа. Характеристиките на такъв процес и описанието на принципа на неговата работа като цяло са описани подробно в магнитохидродинамиката. Самият генератор е кръстен на тази дисциплина.

Описание на ефектното действие

На първо място, трябва да разберете какво се случва по време на работа на устройството. Това е единственият начин да разберем принципа на действието на магнитохидродинамичния генератор. Ефектът се основава на появата на електрическо поле и, разбира се, на електрически ток в електролита. Последният е представен от различни среди, например течен метал, плазма (газ) или вода. От това можем да заключим, че принципът на действие се основава на електромагнитна индукция, която използва магнитно поле за генериране на електричество.

Оказва се, че проводникът трябва да се пресича със силовите линии на полето. Това от своя страна е задължително условие вътре в устройството да започнат да се появяват потоци от йони с противоположни заряди спрямо движещите се частици. Също така е важно да се отбележи поведението на полеви линии. Изграденото от тях магнитно поле се движи вътре в самия проводник в посока, обратна на тази, където се намират йонните заряди.

Определение и история на MHD генератора

Инсталацията е устройство за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия. Прилага напълно горнотоЕфект. В същото време магнитохидродинамичните генератори се смятаха за доста иновативна и пробивна идея, чието изграждане на първите образци заема умовете на водещи учени от ХХ век. Скоро финансирането за подобни проекти свърши по причини, които не са съвсем ясни. Първите експериментални инсталации вече са изградени, но използването им е изоставено.

Първите проекти на магнитодинамични генератори са описани през 1907-910 г., но те не могат да бъдат създадени поради редица противоречиви физически и архитектурни характеристики. Като пример можем да посочим факта, че все още не са създадени материали, които да функционират нормално при работни температури от 2500-3000 градуса по Целзий в газообразна среда. Руският модел трябваше да се появи в специално построен MGDES в град Новомичуринск, който се намира в района на Рязана в непосредствена близост до държавната областна електроцентрала. Проектът беше отменен в началото на 90-те години.

Как работи устройството

Конструкцията и принципът на действие на магнитохидродинамичните генератори в по-голямата си част повтарят тези на обикновените машинни варианти. Основата е ефектът на електромагнитната индукция, което означава, че в проводника се появява ток. Това се дължи на факта, че последният пресича линиите на магнитното поле вътре в устройството. Има обаче една разлика между машинните и MHD генераторите. Той се крие във факта, че за магнитохидродинамични варианти катопроводникът се използва директно от самото работно тяло.

Действието също се основава на заредени частици, които са засегнати от силата на Лоренц. Движението на работния флуид се осъществява през магнитното поле. Поради това има потоци от носители на заряд с точно противоположни посоки. На етапа на формиране MHD генераторите са използвали главно електропроводими течности или електролити. Именно те бяха самото работещо тяло. Съвременните вариации преминаха към плазма. Носителите на заряд за новите машини са положителни йони и свободни електрони.

Дизайн на MHD генератори

Първият възел на устройството се нарича канал, през който се движи работният флуид. Понастоящем магнитохидродинамичните генератори използват главно плазма като основна среда. Следващият възел е система от магнити, които са отговорни за създаването на магнитно поле и електроди за отклоняване на енергията, която ще бъде получена по време на работния процес. Източниците обаче може да са различни. В системата могат да се използват както електромагнити, така и постоянни магнити.

След това газът провежда електричество и се нагрява до температурата на термична йонизация, която е приблизително 10 000 Келвина. След това този индикатор трябва да бъде намален. Температурната лента пада до 2, 2-2, 7 хиляди Келвин поради факта, че към работната среда се добавят специални добавки с алкални метали. В противен случай плазмата не е достатъчнастепен на ефективна, тъй като стойността на нейната електрическа проводимост става много по-ниска от тази на същата вода.

Типичен цикъл на устройството

Други възли, които съставляват дизайна на магнитохидродинамичния генератор, са най-добре изброени заедно с описание на функционалните процеси в последователността, в която се случват.

1. Горивната камера приема зареденото в нея гориво. Добавени са също окислители и различни добавки.
2. Горивото започва да гори, което позволява образуването на газ като продукт на горенето.
3. След това дюзата на генератора се активира. Газовете преминават през него, след което се разширяват и скоростта им нараства до скоростта на звука.
4. Действието идва в камера, която пропуска магнитно поле през себе си. На стените му има специални електроди. Това е мястото, където газовете влизат на този етап от цикъла.
5. След това работното тяло под въздействието на заредени частици се отклонява от първичната си траектория. Новата посока е точно там, където са електродите.
6. Последният етап. Между електродите се генерира електрически ток. Тук цикълът свършва.

Основни класификации

Има много опции за готовото устройство, но принципът на работа ще бъде практически същият във всеки от тях. Например, възможно е да се пусне магнитохидродинамичен генератор на твърдо гориво като изкопаеми продукти от горенето. Също като източникенергия, използват се пари на алкални метали и техните двуфазни смеси с течни метали. Според продължителността на работа MHD генераторите се делят на дълготрайни и краткотрайни, а последните - на импулсни и експлозивни. Източниците на топлина включват ядрени реактори, топлообменници и реактивни двигатели.

Освен това има и класификация според вида на работния цикъл. Тук разделението се случва само на два основни типа. Генераторите с отворен цикъл имат работен флуид, смесен с добавки. Продуктите от горенето преминават през работната камера, където в процеса се почистват от примеси и се изпускат в атмосферата. В затворен цикъл работният флуид влиза в топлообменника и едва след това влиза в камерата на генератора. След това продуктите от горенето чакат компресора, който завършва цикъла. След това работният флуид се връща към първия етап в топлообменника.

Основни характеристики

Ако въпросът какво произвежда магнитохидродинамичен генератор може да се счита за напълно покрит, тогава трябва да бъдат представени основните технически параметри на такива устройства. Първата от тях по важност вероятно е силата. Тя е пропорционална на проводимостта на работния флуид, както и на квадратите на силата на магнитното поле и неговата скорост. Ако работният флуид е плазма с температура около 2-3 хиляди Келвина, тогава проводимостта е пропорционална на нея в 11-13 градуса и обратно пропорционална на корен квадратен от налягането.

Трябва също да предоставите данни за скоростта на потока ииндукция на магнитно поле. Първата от тези характеристики варира в доста широки граници, вариращи от дозвукови скорости до хиперзвукови скорости до 1900 метра в секунда. Що се отнася до индукцията на магнитното поле, тя зависи от конструкцията на магнитите. Ако са направени от стомана, тогава горната лента ще бъде настроена на около 2 T. За система, която се състои от свръхпроводящи магнити, тази стойност се повишава до 6-8 T.

Прилагане на MHD генератори

Днес не се наблюдава широко използване на подобни устройства. Независимо от това, теоретично е възможно да се изградят електроцентрали с магнитохидродинамични генератори. Има общо три валидни варианта:

1. Ядрени електроцентрали. Те използват безнеутронен цикъл с MHD генератор. Обичайно е да се използва плазма при високи температури като гориво.
2. Топлоелектрически централи. Използва се отворен тип цикъл, а самите инсталации са доста прости по отношение на конструктивните характеристики. Именно тази опция все още има перспективи за развитие.
3. Атомни електроцентрали. Работната течност в този случай е инертен газ. Нагрява се в ядрен реактор в затворен цикъл. Има и перспективи за развитие. Възможността за приложение обаче зависи от появата на ядрени реактори с температура на работния флуид над 2 хиляди Келвина.

Перспектива на устройството

Уместността на магнитохидродинамичните генератори зависи от редица фактори ипроблеми все още нерешени. Пример е способността на такива устройства да генерират само постоянен ток, което означава, че за тяхната поддръжка е необходимо да се проектират достатъчно мощни и освен това икономични инвертори.

Друг видим проблем е липсата на необходимите материали, които биха могли да работят достатъчно дълго време в условия на нагряване на горивото до екстремни температури. Същото важи и за електродите, използвани в такива генератори.

Други употреби

Освен че функционират в сърцето на електроцентралите, тези устройства могат да работят в специални електроцентрали, което би било много полезно за ядрената енергия. Използването на магнитохидродинамичен генератор е разрешено и в системи за хиперзвукови самолети, но досега не е наблюдаван напредък в тази област.