Μαγνητοϋδροδυναμική γεννήτρια: συσκευή, αρχή λειτουργίας και σκοπός

2024 Συγγραφέας: Howard Calhoun | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-17 10:23

Δεν έχουν μελετηθεί και εφαρμοστεί με επιτυχία μέχρι στιγμής όλες οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας στον πλανήτη Γη. Παρόλα αυτά, η ανθρωπότητα αναπτύσσεται ενεργά προς αυτή την κατεύθυνση και βρίσκει νέες επιλογές. Ένα από αυτά ήταν η λήψη ενέργειας από τον ηλεκτρολύτη, ο οποίος βρίσκεται σε ένα μαγνητικό πεδίο.

Σχεδιασμένο αποτέλεσμα και προέλευση του ονόματος

Τα πρώτα έργα σε αυτόν τον τομέα αποδίδονται στον Faraday, ο οποίος εργάστηκε σε εργαστηριακές συνθήκες ήδη από το 1832. Ερεύνησε το λεγόμενο μαγνητοϋδροδυναμικό φαινόμενο, ή μάλλον, έψαχνε για μια ηλεκτρομαγνητική κινητήρια δύναμη και προσπάθησε να την εφαρμόσει με επιτυχία. Το ρεύμα του ποταμού Τάμεση χρησιμοποιήθηκε ως πηγή ενέργειας. Μαζί με το όνομα του εφέ, η εγκατάσταση έλαβε και το όνομά της - μαγνητοϋδροδυναμική γεννήτρια.

Αυτή η συσκευή MHD μετατρέπει απευθείας μίαμορφή ενέργειας σε άλλη, δηλαδή μηχανική σε ηλεκτρική. Τα χαρακτηριστικά μιας τέτοιας διαδικασίας και η περιγραφή της αρχής της λειτουργίας της στο σύνολό της περιγράφονται λεπτομερώς στη μαγνητοϋδροδυναμική. Η ίδια η γεννήτρια πήρε το όνομά της από αυτόν τον κλάδο.

Περιγραφή της ενέργειας εφέ

Πρώτα απ' όλα, θα πρέπει να καταλάβετε τι συμβαίνει κατά τη λειτουργία της συσκευής. Αυτός είναι ο μόνος τρόπος για να κατανοήσουμε την αρχή της μαγνητοϋδροδυναμικής γεννήτριας σε δράση. Το αποτέλεσμα βασίζεται στην εμφάνιση ενός ηλεκτρικού πεδίου και, φυσικά, ενός ηλεκτρικού ρεύματος στον ηλεκτρολύτη. Το τελευταίο αντιπροσωπεύεται από διάφορα μέσα, για παράδειγμα, υγρό μέταλλο, πλάσμα (αέριο) ή νερό. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η αρχή της λειτουργίας βασίζεται στην ηλεκτρομαγνητική επαγωγή, η οποία χρησιμοποιεί ένα μαγνητικό πεδίο για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

Αποδεικνύεται ότι ο αγωγός πρέπει να τέμνεται με τις γραμμές δύναμης πεδίου. Αυτό, με τη σειρά του, είναι μια υποχρεωτική προϋπόθεση για να αρχίσουν να εμφανίζονται μέσα στη συσκευή οι ροές ιόντων με αντίθετα φορτία σε σχέση με τα κινούμενα σωματίδια. Είναι επίσης σημαντικό να σημειωθεί η συμπεριφορά των γραμμών πεδίου. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από αυτά κινείται μέσα στον ίδιο τον αγωγό προς την αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη όπου βρίσκονται τα φορτία ιόντων.

Ορισμός και ιστορικό της γεννήτριας MHD

Η εγκατάσταση είναι μια συσκευή μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια. Εφαρμόζει πλήρως τα παραπάνωΑποτέλεσμα. Ταυτόχρονα, οι μαγνητοϋδροδυναμικές γεννήτριες θεωρήθηκαν κάποτε ως μια αρκετά καινοτόμος και πρωτοποριακή ιδέα, η κατασκευή των πρώτων δειγμάτων της οποίας απασχόλησε το μυαλό κορυφαίων επιστημόνων του εικοστού αιώνα. Σύντομα, η χρηματοδότηση για τέτοια έργα εξαντλήθηκε για λόγους που δεν είναι απολύτως σαφείς. Οι πρώτες πειραματικές εγκαταστάσεις έχουν ήδη ανεγερθεί, αλλά η χρήση τους έχει εγκαταλειφθεί.

Τα πρώτα σχέδια μαγνητοδυναμικών γεννητριών περιγράφηκαν το 1907-910, ωστόσο, δεν μπόρεσαν να δημιουργηθούν λόγω μιας σειράς αντιφατικών φυσικών και αρχιτεκτονικών χαρακτηριστικών. Ως παράδειγμα, μπορούμε να αναφέρουμε το γεγονός ότι δεν έχουν δημιουργηθεί ακόμη υλικά που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν κανονικά σε θερμοκρασίες λειτουργίας 2500-3000 βαθμών Κελσίου σε αέριο περιβάλλον. Το ρωσικό μοντέλο έπρεπε να εμφανιστεί σε ένα ειδικά κατασκευασμένο MGDES στην πόλη Novomichurinsk, το οποίο βρίσκεται στην περιοχή Ryazan σε κοντινή απόσταση από τον σταθμό ηλεκτροπαραγωγής της κρατικής περιοχής. Το έργο ακυρώθηκε στις αρχές της δεκαετίας του 1990.

Πώς λειτουργεί η συσκευή

Ο σχεδιασμός και η αρχή λειτουργίας των μαγνητοϋδροδυναμικών γεννητριών κατά το μεγαλύτερο μέρος επαναλαμβάνουν αυτά των συνηθισμένων παραλλαγών μηχανών. Η βάση είναι η επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, που σημαίνει ότι εμφανίζεται ένα ρεύμα στον αγωγό. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το τελευταίο διασχίζει τις γραμμές μαγνητικού πεδίου μέσα στη συσκευή. Ωστόσο, υπάρχει μία διαφορά μεταξύ των γεννητριών μηχανής και MHD. Βρίσκεται στο γεγονός ότι για μαγνητοϋδροδυναμικές παραλλαγές όπωςΟ αγωγός χρησιμοποιείται απευθείας από το ίδιο το σώμα εργασίας.

Η δράση βασίζεται επίσης σε φορτισμένα σωματίδια, τα οποία επηρεάζονται από τη δύναμη Lorentz. Η κίνηση του ρευστού εργασίας συμβαίνει κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου. Εξαιτίας αυτού, υπάρχουν ροές φορέων φορτίου με ακριβώς αντίθετες κατευθύνσεις. Στο στάδιο του σχηματισμού, οι γεννήτριες MHD χρησιμοποιούσαν κυρίως ηλεκτρικά αγώγιμα υγρά ή ηλεκτρολύτες. Ήταν αυτοί που ήταν το ίδιο το εργατικό σώμα. Οι σύγχρονες παραλλαγές έχουν αλλάξει στο πλάσμα. Οι φορείς φορτίου για τις νέες μηχανές είναι θετικά ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια.

Σχεδίαση γεννητριών MHD

Ο πρώτος κόμβος της συσκευής ονομάζεται κανάλι μέσω του οποίου κινείται το ρευστό εργασίας. Επί του παρόντος, οι μαγνητοϋδροδυναμικές γεννήτριες χρησιμοποιούν κυρίως το πλάσμα ως κύριο μέσο. Ο επόμενος κόμβος είναι ένα σύστημα μαγνητών που είναι υπεύθυνοι για τη δημιουργία ενός μαγνητικού πεδίου και ηλεκτροδίων για την εκτροπή της ενέργειας που θα ληφθεί κατά τη διαδικασία εργασίας. Ωστόσο, οι πηγές μπορεί να είναι διαφορετικές. Στο σύστημα μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο ηλεκτρομαγνήτες όσο και μόνιμοι μαγνήτες.

Στη συνέχεια, το αέριο άγει ηλεκτρισμό και θερμαίνεται μέχρι τη θερμοκρασία θερμικού ιονισμού, η οποία είναι περίπου 10.000 Kelvin. Μετά από αυτόν τον δείκτη πρέπει να μειωθεί. Η μπάρα θερμοκρασίας πέφτει στα 2, 2-2, 7 χιλιάδες Kelvin λόγω του γεγονότος ότι στο περιβάλλον εργασίας προστίθενται ειδικά πρόσθετα με αλκαλικά μέταλλα. Διαφορετικά, το πλάσμα δεν επαρκείβαθμό αποτελεσματικό, επειδή η τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητάς του γίνεται πολύ χαμηλότερη από αυτή του ίδιου νερού.

Τυπικός κύκλος συσκευής

Άλλοι κόμβοι που συνθέτουν το σχεδιασμό της μαγνητοϋδροδυναμικής γεννήτριας παρατίθενται καλύτερα μαζί με μια περιγραφή των λειτουργικών διεργασιών με την ακολουθία με την οποία συμβαίνουν.

1. Ο θάλαμος καύσης δέχεται το καύσιμο που φορτώνεται σε αυτόν. Προστίθενται επίσης οξειδωτικά μέσα και διάφορα πρόσθετα.
2. Το καύσιμο αρχίζει να καίγεται, επιτρέποντας στο αέριο να σχηματιστεί ως προϊόν καύσης.
3. Στη συνέχεια, ενεργοποιείται το ακροφύσιο της γεννήτριας. Τα αέρια διέρχονται από αυτό, μετά από την οποία διαστέλλονται και η ταχύτητά τους αυξάνεται στην ταχύτητα του ήχου.
4. Η δράση έρχεται σε έναν θάλαμο που διέρχεται ένα μαγνητικό πεδίο μέσα του. Στους τοίχους του υπάρχουν ειδικά ηλεκτρόδια. Εδώ εισέρχονται τα αέρια σε αυτό το στάδιο του κύκλου.
5. Τότε το σώμα εργασίας υπό την επίδραση φορτισμένων σωματιδίων αποκλίνει από την κύρια τροχιά του. Η νέα κατεύθυνση είναι ακριβώς εκεί που βρίσκονται τα ηλεκτρόδια.
6. Το τελικό στάδιο. Μεταξύ των ηλεκτροδίων δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα. Εδώ τελειώνει ο κύκλος.

Κύριες ταξινομήσεις

Υπάρχουν πολλές επιλογές για την τελική συσκευή, αλλά η αρχή λειτουργίας θα είναι σχεδόν η ίδια σε οποιαδήποτε από αυτές. Για παράδειγμα, είναι δυνατή η εκτόξευση μιας μαγνητοϋδροδυναμικής γεννήτριας σε στερεά καύσιμα όπως τα ορυκτά προϊόντα καύσης. Επίσης ως πηγήενέργειας, χρησιμοποιούνται ατμοί αλκαλιμετάλλων και τα διφασικά μείγματά τους με υγρά μέταλλα. Σύμφωνα με τη διάρκεια λειτουργίας, οι γεννήτριες MHD χωρίζονται σε μακροπρόθεσμες και βραχυπρόθεσμες και οι τελευταίες - σε παλμικές και εκρηκτικές. Οι πηγές θερμότητας περιλαμβάνουν πυρηνικούς αντιδραστήρες, εναλλάκτες θερμότητας και κινητήρες τζετ.

Επιπλέον, υπάρχει και ταξινόμηση ανάλογα με τον τύπο του κύκλου εργασίας. Εδώ η διαίρεση εμφανίζεται μόνο σε δύο βασικούς τύπους. Οι γεννήτριες ανοιχτού κύκλου έχουν ένα λειτουργικό ρευστό αναμεμειγμένο με πρόσθετα. Τα προϊόντα καύσης περνούν από τον θάλαμο εργασίας, όπου καθαρίζονται από ακαθαρσίες κατά τη διαδικασία και απελευθερώνονται στην ατμόσφαιρα. Σε έναν κλειστό κύκλο, το ρευστό εργασίας εισέρχεται στον εναλλάκτη θερμότητας και μόνο τότε εισέρχεται στον θάλαμο της γεννήτριας. Στη συνέχεια, τα προϊόντα καύσης περιμένουν τον συμπιεστή, ο οποίος ολοκληρώνει τον κύκλο. Μετά από αυτό, το ρευστό εργασίας επιστρέφει στο πρώτο στάδιο στον εναλλάκτη θερμότητας.

Κύρια χαρακτηριστικά

Εάν το ερώτημα του τι παράγει μια μαγνητοϋδροδυναμική γεννήτρια μπορεί να θεωρηθεί πλήρως καλυμμένο, τότε θα πρέπει να παρουσιαστούν οι κύριες τεχνικές παράμετροι τέτοιων συσκευών. Το πρώτο από αυτά σε σημασία είναι πιθανώς η εξουσία. Είναι ανάλογο της αγωγιμότητας του ρευστού εργασίας, καθώς και των τετραγώνων της έντασης του μαγνητικού πεδίου και της ταχύτητάς του. Εάν το ρευστό εργασίας είναι ένα πλάσμα με θερμοκρασία περίπου 2-3 χιλιάδες Kelvin, τότε η αγωγιμότητα είναι ανάλογη με αυτό σε 11-13 μοίρες και αντιστρόφως ανάλογη με την τετραγωνική ρίζα της πίεσης.

Θα πρέπει επίσης να παρέχετε δεδομένα σχετικά με τον ρυθμό ροής καιεπαγωγή μαγνητικού πεδίου. Το πρώτο από αυτά τα χαρακτηριστικά ποικίλλει αρκετά, κυμαινόμενο από υποηχητικές ταχύτητες έως υπερηχητικές ταχύτητες έως 1900 μέτρα ανά δευτερόλεπτο. Όσο για την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου, εξαρτάται από το σχεδιασμό των μαγνητών. Εάν είναι κατασκευασμένα από χάλυβα, τότε η επάνω ράβδος θα ρυθμιστεί περίπου στους 2 Τ. Για ένα σύστημα που αποτελείται από υπεραγώγιμους μαγνήτες, αυτή η τιμή αυξάνεται σε 6-8 T.

Εφαρμογή γεννητριών MHD

Ευρεία χρήση τέτοιων συσκευών σήμερα δεν παρατηρείται. Παρόλα αυτά, είναι θεωρητικά δυνατή η κατασκευή σταθμών ηλεκτροπαραγωγής με μαγνητοϋδροδυναμικές γεννήτριες. Υπάρχουν τρεις έγκυρες παραλλαγές συνολικά:

1. Μονάδες παραγωγής ενέργειας σύντηξης. Χρησιμοποιούν έναν κύκλο χωρίς νετρόνια με μια γεννήτρια MHD. Είναι σύνηθες να χρησιμοποιείται το πλάσμα σε υψηλές θερμοκρασίες ως καύσιμο.
2. Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί. Χρησιμοποιείται ανοιχτός τύπος κύκλου και οι ίδιες οι εγκαταστάσεις είναι αρκετά απλές όσον αφορά τα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά. Είναι αυτή η επιλογή που έχει ακόμα προοπτικές ανάπτυξης.
3. Πυρηνικοί σταθμοί. Το ρευστό εργασίας σε αυτή την περίπτωση είναι ένα αδρανές αέριο. Θερμαίνεται σε πυρηνικό αντιδραστήρα σε κλειστό κύκλο. Έχει επίσης προοπτικές ανάπτυξης. Ωστόσο, η δυνατότητα εφαρμογής εξαρτάται από την εμφάνιση πυρηνικών αντιδραστήρων με θερμοκρασία ρευστού εργασίας πάνω από 2 χιλιάδες Kelvin.

Προοπτική συσκευής

Η συνάφεια των μαγνητοϋδροδυναμικών γεννητριών εξαρτάται από διάφορους παράγοντες καιπροβλήματα ακόμη άλυτα. Ένα παράδειγμα είναι η ικανότητα τέτοιων συσκευών να παράγουν μόνο συνεχές ρεύμα, πράγμα που σημαίνει ότι για τη συντήρησή τους είναι απαραίτητος ο σχεδιασμός επαρκώς ισχυρών και, επιπλέον, οικονομικών μετατροπέων.

Ένα άλλο ορατό πρόβλημα είναι η έλλειψη απαραίτητων υλικών που θα μπορούσαν να λειτουργήσουν για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα σε συνθήκες θέρμανσης καυσίμου σε ακραίες θερμοκρασίες. Το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρόδια που χρησιμοποιούνται σε τέτοιες γεννήτριες.

Άλλες χρήσεις

Εκτός από το ότι λειτουργούν στην καρδιά των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, αυτές οι συσκευές μπορούν να λειτουργούν σε ειδικούς σταθμούς παραγωγής ενέργειας, οι οποίοι θα ήταν πολύ χρήσιμοι για την πυρηνική ενέργεια. Η χρήση μαγνητοϋδροδυναμικής γεννήτριας επιτρέπεται επίσης σε υπερηχητικά συστήματα αεροσκαφών, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει παρατηρηθεί πρόοδος σε αυτόν τον τομέα.