Magnetohidrodinamikus generátor: készülék, működési elv és cél

2024 Szerző: Howard Calhoun | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-17 10:30

Eddig nem minden alternatív energiaforrást tanulmányoztak és alkalmaztak sikeresen a Föld bolygón. Ennek ellenére az emberiség aktívan fejlődik ebbe az irányba, és új lehetőségeket keres. Az egyik az volt, hogy energiát nyerjenek az elektrolitból, amely mágneses térben van.

A név tervezett hatása és eredete

Az első munkákat ezen a területen Faradaynak tulajdonítják, aki már 1832-ben laboratóriumi körülmények között dolgozott. Vizsgálta az úgynevezett magnetohidrodinamikai hatást, pontosabban elektromágneses hajtóerőt keresett, és megpróbálta sikeresen alkalmazni. A Temze áramlatát energiaforrásként használták. Az effektus nevével együtt az installáció a nevét is kapta - magnetohidrodinamikus generátor.

Ez az MHD-eszköz közvetlenül átalakít egyetenergia formáját egy másikba, nevezetesen mechanikusból elektromossá. Egy ilyen folyamat jellemzőit és működési elvének leírását a magnetohidrodinamikában részletesen ismertetjük. Magát a generátort is erről a tudományágról nevezték el.

A hatás leírása

Először is meg kell értenie, mi történik az eszköz működése közben. Ez az egyetlen módja annak, hogy megértsük a magnetohidrodinamikus generátor működési elvét. A hatás az elektromos mező megjelenésén és természetesen az elektrolitban lévő elektromos áramon alapul. Ez utóbbit különféle közegek képviselik, például folyékony fém, plazma (gáz) vagy víz. Ebből arra következtethetünk, hogy a működési elv az elektromágneses indukción alapul, amely mágneses mezőt használ az elektromosság előállítására.

Kiderült, hogy a vezetőnek metszenie kell az erővonalakat. Ez pedig kötelező feltétele annak, hogy a mozgó részecskékkel ellentétes töltésű ionok áramlásai megjelenjenek a készülék belsejében. Fontos megjegyezni a mezővonalak viselkedését is. A belőlük felépített mágneses tér magában a vezetőben az iontöltések helyével ellentétes irányba mozog.

Az MHD generátor meghatározása és története

A berendezés a hőenergiát elektromos energiává alakító eszköz. A fentieket teljes mértékben alkalmazzaHatás. Ugyanakkor a magnetohidrodinamikus generátorokat egy időben meglehetősen innovatív és áttörő ötletnek tekintették, amelynek első mintáinak megalkotása foglalkoztatta a huszadik század vezető tudósait. Hamarosan az ilyen projektek finanszírozása nem teljesen világos okok miatt elfogyott. Az első kísérleti installációkat már felállították, de használatukat felhagyták.

A magnetodinamikai generátorok legelső terveit 1907-910-ben írták le, azonban számos egymásnak ellentmondó fizikai és építészeti jellemző miatt nem tudták elkészíteni őket. Példaként említhetjük, hogy még nem születtek olyan anyagok, amelyek 2500-3000 Celsius fokos üzemi hőmérsékleten, gáznemű környezetben normálisan működhetnének. Az orosz modellnek egy speciálisan épített MGDES-ben kellett volna megjelennie Novomicsurinszk városában, amely a Ryazan régióban található, az állami kerületi erőmű közvetlen közelében. A projektet az 1990-es évek elején törölték.

Az eszköz működése

A magnetohidrodinamikus generátorok felépítése és működési elve többnyire megismétli a hagyományos gépváltozatokét. Az alap az elektromágneses indukció hatása, ami azt jelenti, hogy a vezetőben áram jelenik meg. Ez annak köszönhető, hogy az utóbbi keresztezi a készülék belsejében lévő mágneses erővonalakat. Van azonban egy különbség a gépi és az MHD generátorok között. Abban rejlik, hogy a magnetohidrodinamikai változatokhoz, minta vezetőt közvetlenül maga a munkatest használja.

Az akció töltött részecskéken is alapul, amelyekre a Lorentz-erő hat. A munkafolyadék mozgása a mágneses mezőn keresztül történik. Ennek köszönhetően pontosan ellentétes irányú töltéshordozók áramlásai vannak. A képződés szakaszában az MHD generátorok főként elektromosan vezető folyadékokat vagy elektrolitokat használtak. Ők voltak a nagyon működő testület. A modern változatok plazmára váltottak. Az új gépek töltéshordozói pozitív ionok és szabad elektronok.

MHD generátorok tervezése

A készülék első csomópontja az a csatorna, amelyen keresztül a munkafolyadék mozog. Jelenleg a magnetohidrodinamikus generátorok fő közegeként elsősorban plazmát használnak. A következő csomópont egy mágnesrendszer, amely mágneses mező létrehozásáért felelős, és elektródák, amelyek elvezetik a munkafolyamat során kapott energiát. A források azonban eltérőek lehetnek. Elektromágnesek és állandó mágnesek egyaránt használhatók a rendszerben.

Ezután a gáz elektromos áramot vezet, és felmelegszik a termikus ionizációs hőmérsékletre, amely körülbelül 10 000 Kelvin. Miután ezt a mutatót csökkenteni kell. A hőmérsékleti sáv 2, 2-2, 7 ezer Kelvinre esik le annak köszönhetően, hogy speciális alkálifém-adalékokat adnak a munkakörnyezethez. Ellenkező esetben a plazma nem elegendőfokú hatásos, mert elektromos vezetőképességének értéke sokkal kisebb lesz, mint ugyanennek a víznek.

Tipikus eszközciklus

A magnetohidrodinamikus generátor tervezését alkotó többi csomópont a legjobban felsorolható a funkcionális folyamatok leírásával együtt, abban a sorrendben, amelyben előfordulnak.

1. Az égéstér fogadja a beletöltött tüzelőanyagot. Oxidálószereket és különféle adalékanyagokat is adnak hozzá.
2. A tüzelőanyag égni kezd, ami lehetővé teszi, hogy égéstermékként gáz képződjön.
3. Ezután a generátor fúvókája aktiválódik. A gázok áthaladnak rajta, majd kitágulnak, és sebességük a hangsebességre nő.
4. Az akció egy olyan kamrába érkezik, amely mágneses teret enged át önmagán. A falakon speciális elektródák találhatók. Itt jönnek be a gázok a ciklus ezen szakaszában.
5. Ezután a töltött részecskék hatására a dolgozó test letér elsődleges pályájáról. Az új irány pontosan az, ahol az elektródák vannak.
6. A végső szakasz. Az elektródák között elektromos áram keletkezik. Itt ér véget a ciklus.

Fő besorolások

A kész készülékhez számos lehetőség kínálkozik, de a működési elv gyakorlatilag mindegyiknél ugyanaz lesz. Például be lehet indítani egy magnetohidrodinamikus generátort szilárd tüzelőanyaggal, például fosszilis égéstermékekkel. Forrásként isenergiát, alkálifémgőzöket és ezek folyékony fémekkel alkotott kétfázisú keverékeit használják fel. A működés időtartama szerint az MHD generátorok hosszú távú és rövid távú, az utóbbiak pedig impulzusos és robbanásveszélyesek. A hőforrások közé tartoznak az atomreaktorok, hőcserélők és sugárhajtóművek.

Emellett van egy besorolás is a munkaciklus típusa szerint. Itt a felosztás csak két fő típusra történik. A nyitott ciklusú generátorokban adalékokkal kevert munkafolyadék van. Az égéstermékek átmennek a munkakamrán, ahol a folyamat során megtisztulnak a szennyeződésektől és a légkörbe kerülnek. Zárt ciklusban a munkaközeg belép a hőcserélőbe, és csak ezután jut be a generátor kamrájába. Ezután az égéstermékek a kompresszorra várnak, amely befejezi a ciklust. Ezt követően a munkaközeg visszatér a hőcserélő első fokozatába.

Fő jellemzők

Ha teljesen lefedettnek tekinthető az a kérdés, hogy mi állít elő magnetohidrodinamikus generátort, akkor be kell mutatni az ilyen eszközök fő műszaki paramétereit. Ezek közül az első fontossága valószínűleg a hatalom. Ez arányos a munkafolyadék vezetőképességével, valamint a mágneses térerősség és a sebesség négyzetével. Ha a munkaközeg körülbelül 2-3 ezer Kelvin hőmérsékletű plazma, akkor a vezetőképesség 11-13 fokban arányos vele, és fordítottan arányos a nyomás négyzetgyökével.

Adjon meg adatokat az áramlási sebességről ésmágneses tér indukció. Ezen jellemzők közül az első meglehetősen széles skálán mozog, a szubszonikus sebességtől a hiperszonikus sebességig egészen az 1900 méter/sec-ig terjedően. Ami a mágneses tér indukcióját illeti, az a mágnesek kialakításától függ. Ha acélból készülnek, akkor a felső rúd 2 T körül lesz. Egy szupravezető mágnesekből álló rendszer esetében ez az érték 6-8 T-ra emelkedik.

MHD generátorok alkalmazása

Az ilyen eszközök széles körű használata manapság nem figyelhető meg. Ennek ellenére elméletileg lehetséges erőműveket építeni magnetohidrodinamikus generátorokkal. Összesen három érvényes változat létezik:

1. Fúziós erőművek. Neutron nélküli ciklust használnak MHD generátorral. Magas hőmérsékletű plazmát szokás üzemanyagként használni.
2. Hőerőművek. Nyitott típusú ciklust használnak, és maguk a telepítések meglehetősen egyszerűek a tervezési jellemzőket tekintve. Ennek az opciónak van még kilátása a fejlődésre.
3. Atomerőművek. A munkaközeg ebben az esetben inert gáz. Atomreaktorban hevítik zárt ciklusban. Ennek is vannak fejlődési kilátásai. Az alkalmazás lehetősége azonban a 2 ezer Kelvin feletti üzemi folyadékhőmérsékletű atomreaktorok megjelenésétől függ.

Eszköz perspektíva

A magnetohidrodinamikus generátorok jelentősége számos tényezőtől ésproblémák továbbra is megoldatlanok. Példa erre, hogy az ilyen eszközök képesek csak egyenáramot generálni, ami azt jelenti, hogy karbantartásukhoz kellően erős és ráadásul gazdaságos invertereket kell tervezni.

Egy másik látható probléma a szükséges anyagok hiánya, amelyek kellően hosszú ideig működnének az üzemanyag szélsőséges hőmérsékletre való felmelegedése esetén. Ugyanez vonatkozik az ilyen generátorokban használt elektródákra is.

Egyéb felhasználások

Amellett, hogy az erőművek szívében működnek, ezek az eszközök speciális erőművekben is működhetnek, ami nagyon hasznos lenne az atomenergia számára. A hiperszonikus repülőgép-rendszerekben is megengedett a magnetohidrodinamikus generátor használata, de ez idáig nem történt előrelépés ezen a területen.