Generator magnetohydrodynamiczny: budowa, zasada działania i funkcja

Nie wszystkie alternatywne źródła energii na Ziemi zostały do tej pory zbadane i z powodzeniem zastosowane. Mimo to ludzkość aktywnie rozwija się w danym kierunku i znajduje coraz to nowe warianty. Jednym z nich było wytworzenie energii z elektrolitu, który znajdował się w polu magnetycznym.

Efekt podstawowy i pochodzenie nazwy

Pierwsze badania w tej dziedzinie przypisuje się Faradayowi, który pracował w laboratorium już w 1832 roku. Badał tzw. efekt magnetohydrodynamiczny, a dokładniej szukał elektromagnetycznej siły napędowej i próbował ją z powodzeniem zastosować. Jako źródło energii wykorzystano prąd rzeki Tamizy. Wraz z nazwą efektu, instalacja nazywana jest również generatorem magnetohydrodynamicznym.

W tym urządzeniu MHD następuje bezpośrednia zamiana jednego rodzaju energii na inny, a mianowicie energii mechanicznej na energię elektryczną. Cechy szczególne tego procesu oraz opis jego zasady w ogólności opisane są szczegółowo w Magnetohydrodynamice. Sam generator otrzymał nazwę od tej dyscypliny.

Opis efektu

Pierwszą rzeczą, którą należy zrozumieć jest to, co dzieje się podczas pracy urządzenia. To jedyny sposób, aby zrozumieć zasada działania Generator magnetohydrodynamiczny w akcji. Efekt ten opiera się na wytworzeniu pola elektrycznego i oczywiście prądu elektrycznego w elektrolicie. Te ostatnie są reprezentowane przez różne media, np. ciekły metal, plazmę (gaz) lub wodę. Z tego możemy wywnioskować, że zasada działania opiera się na indukcji elektromagnetycznej, która wykorzystuje pole magnetyczne do wytwarzania energii elektrycznej.

Okazuje się, że przewodnik musi przecinać linie pola. To z kolei jest warunkiem koniecznym, aby w urządzeniu zaczęły powstawać przepływy jonów o ładunkach przeciwnych do poruszających się cząstek. Należy również 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 jonów.

Definicja i historia generatora MHD

Aparat jest urządzeniem do przekształcania energia cieplna do elektrycznego. W pełni wykorzystuje opisany wyżej efekt. Jednocześnie generatory magnetohydrodynamiczne były dość nowatorskim i przełomowym pomysłem, którego budowa pierwszych egzemplarzy zajmowała umysły czołowych naukowców XX wieku. Wkrótce finansowanie takich projektów skończyło się, z nie do końca jasnych powodów. Pierwsze eksperymentalne instalacje zostały już zbudowane, ale zrezygnowano z ich wykorzystania.

Pierwsze projekty generatorów magnetodynamicznych zostały opisane już w latach 1907-910, jednak nie mogły one powstać ze względu na szereg sprzecznych cech fizycznych i architektonicznych. Na przykład nie stworzono jeszcze materiałów, które mogłyby normalnie funkcjonować w temperaturze roboczej 2500-3000 stopni Celsjusza w środowisku gazowym. Rosyjski model miał pojawić się w specjalnie wybudowanym MHDPS w mieście Novomichurinsk, które znajduje się w obwodzie riazańskim w sąsiedztwie GRES-u. Projekt został złomowany na początku lat 90.

Jak działa urządzenie

Budowa i zasada działania generatorów magnetohydrodynamicznych jest w dużej mierze taka sama jak zwykłych wersji maszyn. U podstaw tego zjawiska leży efekt indukcji elektromagnetycznej, co oznacza, że w przewodniku znajduje się prąd. Wynika to z faktu, że, Że ten ostatni przecina linie sił pola magnetycznego wewnątrz maszyny. Jest jednak jedna różnica między generatorami maszynowymi a MHD. Polega ona na tym, że w przypadku wariantów magnetohydrodynamicznych samo ciało robocze jest wykorzystywane jako przewodnik.

W centrum akcji znajdują się również naładowane cząstki, które podlegają działaniu siły Lorentza. Ruch organu roboczego odbywa się poprzecznie do pola magnetycznego. W ten sposób powstają strumienie nośników ładunku o dokładnie przeciwnych kierunkach. W początkowym okresie generatory MHD wykorzystywały głównie ciecze przewodzące lub elektrolity. To oni byli ciałem roboczym. Nowoczesne odmiany przeszły na plazmę. Jony dodatnie i swobodne elektrony są nośnikami ładunku w nowych maszynach.

Projektowanie generatorów MHD

Pierwsza część urządzenia nazywana jest kanałem, przez który porusza się ciało robocze. W przeważającej części plazma jest obecnie stosowana jako podstawowe medium w generatorach magnetohydrodynamicznych. Kolejnym urządzeniem jest układ magnesów, które odpowiadają za wytworzenie pola magnetycznego oraz elektrody odprowadzające energię, którą należy uzyskać w procesie. Źródła mogą być różne. W systemie mogą być stosowane zarówno elektromagnesy jak i magnesy stałe.

Następnie gaz przewodzi prąd elektryczny i jest podgrzewany do temperatury jonizacji termicznej wynoszącej około 10 tysięcy Kelwinów. To zawsze musi być potem zredukowane. Pasek temperatury spada do 2,2 - 2,7 tys. Kelwinów dzięki dodaniu specjalnych dodatków zawierających metale alkaliczne. W przeciwnym razie plazma nie jest wystarczająco efektywna, ponieważ wartość jej przewodnictwa elektrycznego staje się znacznie niższa niż wody.

Typowy cykl pracy urządzenia

Inne elementy składające się na budowę generatora magnetohydrodynamicznego, jest najlepszy Wykaz wraz z opisem procesów funkcjonalnych w kolejności, w jakiej one zachodzą.

1. Komora spalania otrzymuje paliwo, które ma być do niej załadowane. Dodawane są również środki utleniające i różne dodatki.
2. Paliwo zaczyna się spalać, dzięki czemu jako produkt spalania powstaje gaz.
3. Następnie uruchamiana jest dysza generatora. Gazy przechodzą przez nią, po czym rozprężają się i ich prędkość wzrasta do prędkości dźwięku.
4. Akcja dociera do komory, przez którą przechodzi pole magnetyczne. Na jego ścianach znajdują się specjalne elektrody. Na tym etapie cyklu docierają tu gazy.
5. Wówczas ciało robocze odchyla się od pierwotnej trajektorii na skutek oddziaływania naładowanych cząstek. Nowy kierunek to dokładnie miejsce, w którym znajdują się elektrody.
6. Ostatni etap. Pomiędzy elektrodami wytwarza się prąd elektryczny. Na tym kończy się cykl.

Podstawowe klasyfikacje

Istnieje wiele wariantów gotowego urządzenia, ale zasada działania jest w zasadzie taka sama w każdym z nich. Na przykład, możliwe jest zasilanie generatora magnetohydrodynamicznego paliwami stałymi, takimi jak paliwa kopalne. Jako źródło energii wykorzystywane są również pary metali alkalicznych i ich dwufazowe mieszaniny z metalami ciekłymi. Według czasu działania generatory MHD dzielą się na generatory o długiej żywotności i krótkiej żywotności, a te ostatnie na generatory impulsowe i burstowe. Źródła ciepła obejmują reaktory jądrowe, wymienniki ciepła i silniki odrzutowe.

Ponadto istnieje również klasyfikacja według cyklu pracy. Tutaj podział jest tylko na dwa typy podstawowe. Generatory o cyklu otwartym mają płyn roboczy zmieszany z dodatkami. Produkty spalania przepływają przez komorę roboczą, gdzie są oczyszczane z zanieczyszczeń powstałych w procesie i uwalniane do atmosfery. W cyklu zamkniętym płyn roboczy trafia do wymiennika ciepła, a dopiero potem do komory generatora. Następnie produkty spalania czekają na sprężarkę, która kończy cykl. Ciecz robocza wraca następnie do pierwszego stopnia w wymienniku ciepła.

Główne cechy

Jeżeli pytanie o to, co generuje generator magnetohydrodynamiczny można uznać za w pełni ujęte, należy przedstawić główne parametry techniczne takich urządzeń. Pierwszym z nich jest zapewne moc. Jest on proporcjonalny do przewodności ciała roboczego oraz kwadratów natężenia pola magnetycznego i jego prędkości. Jeśli ciałem roboczym jest plazma o temperaturze około 2-3 tys. kelwinów, to przewodnictwo jest 11-13 razy większe od jej mocy i odwrotnie proporcjonalne do pierwiastka kwadratowego z ciśnienia.

Należy również podać natężenie strumienia i indukcję pola magnetycznego. Pierwsza z tych cech zmienia się dość znacznie, od prędkości poddźwiękowych do prędkości hipersonicznych sięgających 1900 metrów na sekundę. Jeśli chodzi o indukcję pola magnetycznego, to zależy ona od konstrukcji magnesów. Jeśli są wykonane ze stali, górna granica jest ustalona na 2 Tesle. Dla układu złożonego z magnesów nadprzewodzących wartość ta wzrasta do 6-8 Tesli.

Zastosowanie generatorów MHD

Dziś nie obserwujemy powszechnego stosowania takich urządzeń. Niemniej jednak teoretycznie możliwa jest budowa elektrowni z generatorami magnetohydrodynamicznymi. W sumie są trzy dopuszczalne warianty:

1. Elektrownie termonuklearne. W nich zastosowano cykl bezneutronowy z generatorem MHD. Jako paliwo zwyczajowo stosuje się plazmę w wysokich temperaturach.
2. Elektrownie cieplne. Stosowany jest cykl otwarty, a same instalacje są dość proste z założenia. To właśnie ta opcja ma jeszcze perspektywy rozwoju.
3. Elektrownie jądrowe. Ciałem roboczym jest w tym przypadku gaz obojętny. Jest on podgrzewany w reaktorze jądrowym w cyklu zamkniętym. Ma również perspektywy rozwoju. Jednak możliwość jego wykorzystania zależy od pojawienia się reaktorów jądrowych o temperaturze ciała roboczego powyżej 2 tys.

Perspektywiczność urządzeń

Znaczenie generatorów magnetohydrodynamicznych zależy od wielu czynników i problemów, które wciąż nie zostały rozwiązane. Przykładem może być zdolność takich urządzeń do generowania wyłącznie prądu stałego, co oznacza, że do ich obsługi konieczne jest zaprojektowanie odpowiednio mocnych i jednocześnie ekonomicznych falowników.

Innym dostrzeganym problemem jest brak niezbędnych materiałów, które mogłyby trwać wystarczająco długo, aby podgrzać paliwo do zaporowych temperatur. To samo dotyczy elektrod stosowanych w takich generatorach.

Inne zastosowania

Oprócz funkcjonowania w sercu elektrowni, urządzenia te są w stanie pracować w dedykowanych elektrowniach, co byłoby bardzo przydatne dla energetyki jądrowej. Zastosowanie generatora magnetohydrodynamicznego jest również możliwe w systemach samolotów hipersonicznych, ale nie obserwujemy jeszcze postępu w tej dziedzinie.