Magnetohidrodinamiskais ģenerators: ierīce, darbības princips un mērķis

2024 Autors: Howard Calhoun | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-17 10:35

Līdz šim nav pētīti un veiksmīgi pielietoti visi alternatīvie enerģijas avoti uz planētas Zeme. Neskatoties uz to, cilvēce aktīvi attīstās šajā virzienā un atrod jaunas iespējas. Viens no tiem bija iegūt enerģiju no elektrolīta, kas atrodas magnētiskajā laukā.

Izstrādāts efekts un nosaukuma izcelsme

Pirmie darbi šajā jomā tiek attiecināti uz Faradeju, kurš laboratorijas apstākļos strādāja jau 1832. gadā. Viņš pētīja tā saukto magnetohidrodinamisko efektu, pareizāk sakot, meklēja elektromagnētisko dzinējspēku un mēģināja to veiksmīgi pielietot. Temzas straume tika izmantota kā enerģijas avots. Kopā ar efekta nosaukumu instalācija saņēma arī savu nosaukumu - magnetohidrodinamiskais ģenerators.

Šī MHD ierīce tieši pārveido vienuenerģijas veidu citā, proti, mehāniskajā elektriskajā. Šāda procesa iezīmes un tā darbības principa apraksts kopumā ir detalizēti aprakstītas magnetohidrodinamikā. Pats ģenerators tika nosaukts šīs disciplīnas vārdā.

Efekta darbības apraksts

Pirmkārt, jums vajadzētu saprast, kas notiek ierīces darbības laikā. Tas ir vienīgais veids, kā saprast magnetohidrodinamiskā ģeneratora darbības principu. Efekta pamatā ir elektriskā lauka parādīšanās un, protams, elektriskā strāva elektrolītā. Pēdējo attēlo dažādi līdzekļi, piemēram, šķidrs metāls, plazma (gāze) vai ūdens. No tā mēs varam secināt, ka darbības princips ir balstīts uz elektromagnētisko indukciju, kas izmanto magnētisko lauku elektroenerģijas ražošanai.

Izrādās, ka vadītājam jākrustojas ar spēka lauka līnijām. Tas savukārt ir obligāts nosacījums, lai ierīces iekšpusē sāktu parādīties jonu plūsmas ar pretējiem lādiņiem attiecībā pret kustīgajām daļiņām. Ir svarīgi arī ņemt vērā lauka līniju uzvedību. No tiem veidotais magnētiskais lauks pārvietojas pašā vadītāja iekšienē pretējā virzienā no tā, kur atrodas jonu lādiņi.

MHD ģeneratora definīcija un vēsture

Instalācija ir ierīce siltumenerģijas pārvēršanai elektroenerģijā. Tas pilnībā piemēro iepriekš minētoEfekts. Tajā pašā laikā magnetohidrodinamiskie ģeneratori savulaik tika uzskatīti par diezgan novatorisku un revolucionāru ideju, kuras pirmo paraugu konstruēšana nodarbināja divdesmitā gadsimta vadošo zinātnieku prātus. Drīz vien finansējums šādiem projektiem beidzās neskaidru iemeslu dēļ. Pirmās eksperimentālās instalācijas jau ir uzceltas, taču to izmantošana ir pārtraukta.

Paši pirmie magnetodinamisko ģeneratoru modeļi tika aprakstīti 1907.–1910. gadā, taču tos nevarēja izveidot vairāku pretrunīgu fizisko un arhitektūras iezīmju dēļ. Kā piemēru varam minēt to, ka vēl nav radīti materiāli, kas varētu normāli funkcionēt 2500-3000 grādu pēc Celsija darba temperatūrā gāzveida vidē. Krievu modelim bija paredzēts parādīties īpaši būvētajā MGDES Novomičurinskas pilsētā, kas atrodas Rjazaņas reģionā tiešā valsts rajona elektrostacijas tuvumā. Projekts tika atcelts 90. gadu sākumā.

Kā ierīce darbojas

Magnetohidrodinamisko ģeneratoru dizains un darbības princips lielākoties atkārto parasto mašīnu variantu uzbūvi un darbības principu. Pamats ir elektromagnētiskās indukcijas ietekme, kas nozīmē, ka vadītājā parādās strāva. Tas ir saistīts ar faktu, ka pēdējais šķērso magnētiskā lauka līnijas ierīces iekšpusē. Tomēr ir viena atšķirība starp mašīnu un MHD ģeneratoriem. Tas slēpjas faktā, ka magnetohidrodinamiskajiem variantiem kāvadītāju tieši izmanto pati darba iestāde.

Darbības pamatā ir arī uzlādētas daļiņas, kuras ietekmē Lorenca spēks. Darba šķidruma kustība notiek pa magnētisko lauku. Sakarā ar to notiek lādiņu nesēju plūsmas ar tieši pretējiem virzieniem. Veidošanas stadijā MHD ģeneratori galvenokārt izmantoja elektriski vadošus šķidrumus vai elektrolītus. Tieši viņi bija ļoti strādājošā struktūra. Mūsdienu variācijas ir pārgājušas uz plazmu. Jauno iekārtu lādiņu nesēji ir pozitīvie joni un brīvie elektroni.

MHD ģeneratoru dizains

Pirmais ierīces mezgls tiek saukts par kanālu, pa kuru pārvietojas darba šķidrums. Pašlaik magnetohidrodinamiskie ģeneratori galvenokārt izmanto plazmu kā galveno vidi. Nākamais mezgls ir magnētu sistēma, kas ir atbildīga par magnētiskā lauka izveidi un elektrodiem, lai novirzītu enerģiju, kas tiks saņemta darba procesā. Tomēr avoti var būt dažādi. Sistēmā var izmantot gan elektromagnētus, gan pastāvīgos magnētus.

Tālāk gāze vada elektrību un uzsilst līdz termiskās jonizācijas temperatūrai, kas ir aptuveni 10 000 kelvinu. Pēc šī indikatora ir jāsamazina. Temperatūras josla nokrītas līdz 2, 2-2, 7 tūkstošiem Kelvinu, jo darba videi tiek pievienotas īpašas piedevas ar sārmu metāliem. Pretējā gadījumā ar plazmu nepietiekpakāpe efektīva, jo tā elektriskās vadītspējas vērtība kļūst daudz zemāka nekā tāda paša ūdens.

Tipisks ierīces cikls

Citi mezgli, kas veido magnetohidrodinamiskā ģeneratora konstrukciju, ir vislabāk uzskaitīti kopā ar funkcionālo procesu aprakstu secībā, kādā tie notiek.

1. Sadegšanas kamera saņem tajā ielādēto degvielu. Tiek pievienoti arī oksidētāji un dažādas piedevas.
2. Degviela sāk degt, ļaujot gāzei veidoties kā sadegšanas produktam.
3. Tālāk tiek aktivizēta ģeneratora sprausla. Caur to iziet gāzes, pēc tam tās izplešas, un to ātrums palielinās līdz skaņas ātrumam.
4. Darbība nonāk kamerā, kas izlaiž caur sevi magnētisko lauku. Uz tā sienām ir īpaši elektrodi. Šeit šajā cikla posmā nonāk gāzes.
5. Tad darba ķermenis lādētu daļiņu ietekmē novirzās no savas primārās trajektorijas. Jaunais virziens ir tieši tur, kur atrodas elektrodi.
6. Pēdējais posms. Starp elektrodiem tiek ģenerēta elektriskā strāva. Šeit cikls beidzas.

Galvenās klasifikācijas

Gatavajai ierīcei ir daudz iespēju, taču darbības princips būs praktiski vienāds jebkurā no tām. Piemēram, ir iespējams palaist magnetohidrodinamisko ģeneratoru ar cieto kurināmo, piemēram, fosilajiem sadegšanas produktiem. Arī kā avotstiek izmantota enerģija, sārmu metālu tvaiki un to divfāzu maisījumi ar šķidriem metāliem. Pēc darbības ilguma MHD ģeneratorus iedala ilgtermiņa un īstermiņa, bet pēdējie - impulsu un sprādzienbīstamos. Siltuma avoti ir kodolreaktori, siltummaiņi un reaktīvie dzinēji.

Turklāt ir arī klasifikācija pēc darba cikla veida. Šeit dalījums notiek tikai divos galvenajos veidos. Atvērtā cikla ģeneratoros ir darba šķidrums, kas sajaukts ar piedevām. Sadegšanas produkti iet cauri darba kamerai, kur procesā tiek attīrīti no piemaisījumiem un nonāk atmosfērā. Slēgtā ciklā darba šķidrums nonāk siltummainī un tikai pēc tam nonāk ģeneratora kamerā. Tālāk sadegšanas produkti gaida kompresoru, kas pabeidz ciklu. Pēc tam darba šķidrums siltummainī atgriežas pirmajā posmā.

Galvenās funkcijas

Ja jautājumu par to, kas ražo magnetohidrodinamisko ģeneratoru, var uzskatīt par pilnībā aptvertu, tad jāuzrāda šādu ierīču galvenie tehniskie parametri. Pirmais no tiem, iespējams, ir spēks. Tas ir proporcionāls darba šķidruma vadītspējai, kā arī magnētiskā lauka intensitātes un tā ātruma kvadrātiem. Ja darba šķidrums ir plazma ar temperatūru aptuveni 2-3 tūkstoši kelvinu, tad vadītspēja ir tai proporcionāla 11-13 grādos un apgriezti proporcionāla spiediena kvadrātsaknei.

Jums jānorāda arī dati par plūsmas ātrumu unmagnētiskā lauka indukcija. Pirmais no šiem raksturlielumiem atšķiras diezgan plaši, sākot no zemskaņas ātruma līdz hiperskaņas ātrumam līdz pat 1900 metriem sekundē. Kas attiecas uz magnētiskā lauka indukciju, tas ir atkarīgs no magnētu konstrukcijas. Ja tie ir izgatavoti no tērauda, tad augšējā josla tiks iestatīta uz aptuveni 2 T. Sistēmai, kas sastāv no supravadošiem magnētiem, šī vērtība palielinās līdz 6-8 T.

MHD ģeneratoru pielietošana

Plaša šādu ierīču izmantošana mūsdienās nav novērota. Neskatoties uz to, teorētiski ir iespējams būvēt spēkstacijas ar magnetohidrodinamiskajiem ģeneratoriem. Kopumā ir trīs derīgi varianti:

1. Kodolsintēzes spēkstacijas. Viņi izmanto bez neitronu ciklu ar MHD ģeneratoru. Par degvielu ir ierasts izmantot plazmu augstā temperatūrā.
2. Siltuma elektrostacijas. Tiek izmantots atvērta tipa cikls, un pašas instalācijas ir diezgan vienkāršas dizaina īpašību ziņā. Tieši šai opcijai joprojām ir attīstības perspektīvas.
3. Atomelektrostacijas. Darba šķidrums šajā gadījumā ir inerta gāze. To silda kodolreaktorā slēgtā ciklā. Tam ir arī attīstības perspektīvas. Tomēr izmantošanas iespēja ir atkarīga no tādu kodolreaktoru parādīšanās, kuru darba šķidruma temperatūra pārsniedz 2 tūkstošus kelvinu.

Ierīces perspektīva

Magnetohidrodinamisko ģeneratoru atbilstība ir atkarīga no vairākiem faktoriem unproblēmas joprojām nav atrisinātas. Kā piemēru var minēt šādu ierīču spēju ģenerēt tikai līdzstrāvu, kas nozīmē, ka to uzturēšanai nepieciešams projektēt pietiekami jaudīgus un turklāt ekonomiskus invertorus.

Vēl viena redzama problēma ir nepieciešamo materiālu trūkums, kas varētu darboties pietiekami ilgu laiku degvielas uzsildīšanas apstākļos līdz ekstremālām temperatūrām. Tas pats attiecas uz elektrodiem, ko izmanto šādos ģeneratoros.

Citi lietojumi

Šīs ierīces papildus funkcionēšanai spēkstaciju centrā spēj darboties arī īpašās spēkstacijās, kas ļoti noderētu kodolenerģijai. Magnetohidrodinamiskā ģeneratora izmantošana ir atļauta arī hiperskaņas gaisa kuģu sistēmās, taču līdz šim progress šajā jomā nav novērots.