Magnetohüdrodünaamiline generaator: seade, tööpõhimõte ja otstarve

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-17 10:25

Kõiki alternatiivseid energiaallikaid planeedil Maa pole seni uuritud ja eduk alt rakendatud. Sellest hoolimata areneb inimkond selles suunas aktiivselt ja leiab uusi võimalusi. Üks neist oli energia saamine elektrolüüdist, mis asub magnetväljas.

Nime kavandatud efekt ja päritolu

Esimesed tööd selles valdkonnas omistatakse Faradayle, kes töötas laboritingimustes juba 1832. aastal. Ta uuris nn magnetohüdrodünaamilist efekti, õigemini otsis elektromagnetilist liikumapanevat jõudu ja püüdis seda eduk alt rakendada. Thamesi jõe hoovust kasutati energiaallikana. Koos efekti nimega sai installatsioon ka oma nime – magnetohüdrodünaamiline generaator.

See MHD-seade teisendab selle otseenergia vormist teiseks, nimelt mehaaniliseks elektriliseks. Sellise protsessi tunnuseid ja selle toimimise põhimõtte kirjeldust tervikuna kirjeldatakse üksikasjalikult magnetohüdrodünaamikas. Generaator ise sai nime selle distsipliini järgi.

Efekti toime kirjeldus

Kõigepe alt peaksite mõistma, mis seadme töötamise ajal juhtub. Ainult nii on võimalik mõista töötava magnetohüdrodünaamilise generaatori põhimõtet. Mõju põhineb elektrivälja ilmnemisel ja loomulikult ka elektrivoolul elektrolüüdis. Viimast esindavad erinevad kandjad, näiteks vedel metall, plasma (gaas) või vesi. Sellest võime järeldada, et tööpõhimõte põhineb elektromagnetilisel induktsioonil, mis kasutab elektri tootmiseks magnetvälja.

Selgub, et juht peab ristuma jõuväljajoontega. See on omakorda kohustuslik tingimus, et seadme sees hakkaksid tekkima liikuvate osakeste suhtes vastupidise laenguga ioonide voolud. Samuti on oluline tähele panna väljajoonte käitumist. Nendest ehitatud magnetväli liigub juhi enda sees ioonilaengute asukohast vastupidises suunas.

MHD generaatori määratlus ja ajalugu

Paigaldus on seade soojusenergia muundamiseks elektrienergiaks. See rakendab ül altoodut täielikultMõju. Samal ajal peeti magnetohüdrodünaamilisi generaatoreid omal ajal üsna uuenduslikuks ja läbimurdeliseks ideeks, mille esimeste näidiste ehitamine hõivas kahekümnenda sajandi juhtivate teadlaste mõtted. Peagi lõppes selliste projektide rahastamine ebaselgetel põhjustel. Esimesed eksperimentaalsed installatsioonid on juba püstitatud, kuid nende kasutamisest on loobutud.

Esimesi magnetodünaamiliste generaatorite kujundusi kirjeldati aastatel 1907–910, kuid neid ei saanud mitmete vastuoluliste füüsiliste ja arhitektuuriliste omaduste tõttu luua. Näitena võib tuua asjaolu, et veel pole loodud materjale, mis saaksid normaalselt toimida töötemperatuuridel 2500-3000 kraadi Celsiuse järgi gaasilises keskkonnas. Vene mudel pidi ilmuma spetsiaalselt ehitatud MGDES-is Novomitšurinski linnas, mis asub Rjazani piirkonnas osariigi elektrijaama vahetus läheduses. Projekt tühistati 1990. aastate alguses.

Kuidas seade töötab

Magnetohüdrodünaamiliste generaatorite konstruktsioon ja tööpõhimõte kordavad enamasti tavaliste masinavariantide oma. Aluseks on elektromagnetilise induktsiooni mõju, mis tähendab, et juhis tekib vool. See on tingitud asjaolust, et viimane ületab seadme sees olevaid magnetvälja jooni. Masina- ja MHD-generaatoritel on aga üks erinevus. See seisneb selles, et magnetohüdrodünaamiliste variantide puhul nagujuhti kasutab vahetult tööorgan ise.

Tegevus põhineb ka laetud osakestel, mida mõjutab Lorentzi jõud. Töövedeliku liikumine toimub üle magnetvälja. Tänu sellele tekivad täpselt vastassuunaliste laengukandjate vood. Moodustamisetapis kasutasid MHD generaatorid peamiselt elektrit juhtivaid vedelikke või elektrolüüte. Just nemad olid väga töötav organ. Kaasaegsed variatsioonid on üle läinud plasmale. Uute masinate laengukandjad on positiivsed ioonid ja vabad elektronid.

MHD generaatorite disain

Seadme esimest sõlme nimetatakse kanaliks, mille kaudu töövedelik liigub. Praegu kasutavad magnetohüdrodünaamilised generaatorid põhikeskkonnana peamiselt plasmat. Järgmine sõlm on magnetite süsteem, mis vastutab magnetvälja loomise eest ja elektroodid, mis suunavad tööprotsessi käigus vastuvõetavat energiat. Siiski võivad allikad olla erinevad. Süsteemis saab kasutada nii elektromagneteid kui ka püsimagneteid.

Järgmisena juhib gaas elektrit ja soojeneb termilise ionisatsiooni temperatuurini, mis on ligikaudu 10 000 kelvinit. Pärast seda indikaatorit tuleb vähendada. Temperatuuririba langeb 2, 2-2, 7 tuhande Kelvinini tänu sellele, et töökeskkonda lisatakse leelismetallidega spetsiaalseid lisandeid. Vastasel juhul ei piisa plasmastkraadi efektiivne, kuna selle elektrijuhtivuse väärtus muutub palju madalamaks kui sama vee oma.

Tüüpiline seadme tsükkel

Muud sõlmed, mis moodustavad magnetohüdrodünaamilise generaatori disaini, on kõige paremini loetletud koos funktsionaalsete protsesside kirjeldusega nende toimumise järjekorras.

1. Põlemiskamber võtab vastu sinna laaditud kütuse. Lisatud on ka oksüdeerivaid aineid ja erinevaid lisaaineid.
2. Kütus hakkab põlema, võimaldades gaasil tekkida põlemisproduktina.
3. Järgmisena aktiveeritakse generaatori otsik. Gaasid läbivad seda, misjärel need laienevad ja nende kiirus suureneb kuni heli kiiruseni.
4. Tegevus jõuab kambrisse, mis laseb magnetvälja endast läbi. Selle seintel on spetsiaalsed elektroodid. Siit tulevad gaasid tsükli selles etapis.
5. Siis kaldub laetud osakeste mõjul töötav keha oma esmasest trajektoorist kõrvale. Uus suund on täpselt seal, kus on elektroodid.
6. Lõppetapp. Elektroodide vahel tekib elektrivool. Siin tsükkel lõpeb.

Peamised klassifikatsioonid

Valmisseadme jaoks on palju valikuid, kuid tööpõhimõte on peaaegu kõigil sama. Näiteks on võimalik käivitada magnetohüdrodünaamiline generaator tahkel kütusel, nagu fossiilsete põlemisproduktide puhul. Ka allikanakasutatakse energiat, leelismetallide auru ja nende kahefaasilisi segusid vedelmetallidega. Töö kestuse järgi jagunevad MHD generaatorid pika- ja lühiajalisteks ning viimased - impulss- ja plahvatusohtlikeks. Soojusallikate hulka kuuluvad tuumareaktorid, soojusvahetid ja reaktiivmootorid.

Lisaks on olemas ka klassifikatsioon töötsükli tüübi järgi. Siin jaguneb see ainult kaheks põhitüübiks. Avatud tsükli generaatorites on lisanditega segatud töövedelik. Põlemissaadused läbivad töökambri, kus need protsessi käigus puhastatakse lisanditest ja lastakse atmosfääri. Suletud tsüklis siseneb töövedelik soojusvahetisse ja alles seejärel generaatori kambrisse. Järgmisena ootavad põlemisproduktid kompressorit, mis tsükli lõpetab. Pärast seda naaseb töövedelik soojusvaheti esimesse etappi.

Peamised funktsioonid

Kui küsimust, mis toodab magnetohüdrodünaamilist generaatorit, võib pidada täielikult hõlmatuks, tuleks esitada selliste seadmete peamised tehnilised parameetrid. Esimene neist tähtsuselt on ilmselt võim. See on võrdeline töövedeliku juhtivusega, samuti magnetvälja tugevuse ja selle kiiruse ruutudega. Kui töövedelik on plasma, mille temperatuur on umbes 2-3 tuhat Kelvinit, siis juhtivus on sellega võrdeline 11-13 kraadi ja pöördvõrdeline rõhu ruutjuurega.

Samuti peaksite esitama andmed voolukiiruse jamagnetvälja induktsioon. Esimene neist omadustest varieerub üsna laialdaselt, ulatudes allahelikiirusest kuni hüperhelikiiruseni kuni 1900 meetrini sekundis. Mis puutub magnetvälja induktsiooni, siis see sõltub magnetite konstruktsioonist. Kui need on valmistatud terasest, seatakse ülemine riba umbes 2 T juurde. Ülijuhtivatest magnetitest koosneva süsteemi puhul tõuseb see väärtus 6-8 T.

MHD generaatorite rakendamine

Selliste seadmete laialdast kasutamist tänapäeval ei täheldata. Sellest hoolimata on teoreetiliselt võimalik ehitada elektrijaamu magnetohüdrodünaamiliste generaatoritega. Kokku on kolm kehtivat variatsiooni:

1. Tuumasünteesielektrijaamad. Nad kasutavad neutroniteta tsüklit MHD generaatoriga. Kütusena on tavaks kasutada kõrgetel temperatuuridel plasmat.
2. Soojuselektrijaamad. Kasutatakse avatud tüüpi tsiklit ja paigaldused ise on disainiomaduste poolest üsna lihtsad. Just sellel valikul on veel väljavaateid areneda.
3. Tuumaelektrijaamad. Töövedelik on sel juhul inertgaas. Seda kuumutatakse tuumareaktoris suletud tsüklis. Sellel on ka arenguväljavaated. Kasutamise võimalus sõltub aga tuumareaktorite tekkimisest, mille töövedeliku temperatuur on üle 2 tuhande kelvini.

Seadme vaade

Magnetohüdrodünaamiliste generaatorite asjakohasus sõltub mitmest tegurist japrobleemid ikka veel lahendamata. Näiteks on selliste seadmete võime genereerida ainult alalisvoolu, mis tähendab, et nende hooldamiseks on vaja projekteerida piisav alt võimsad ja pealegi ökonoomsed inverterid.

Teine nähtav probleem on vajalike materjalide puudumine, mis võiksid töötada piisav alt kaua äärmuslike temperatuurideni kütuse kuumutamise tingimustes. Sama kehtib sellistes generaatorites kasutatavate elektroodide kohta.

Muud kasutusalad

Lisaks sellele, et need seadmed töötavad elektrijaamade keskmes, on need võimelised töötama ka spetsiaalsetes elektrijaamades, mis oleks tuumaenergia jaoks väga kasulikud. Magnetohüdrodünaamilise generaatori kasutamine on lubatud ka hüperhelikiirusega lennukisüsteemides, kuid siiani pole selles valdkonnas edusamme täheldatud.