Магнитохидродинамичен генератор: устройство, принцип на действие и функция

Не всички алтернативни енергийни източници на планетата Земя са проучени и успешно приложени досега. Човешката раса обаче активно се движи в тази посока и непрекъснато търси нови идеи. Една от тях е да се генерира енергия от електролит, който се намира в магнитно поле.

Основен ефект и произход на името

Първите трудове в тази област се приписват на Фарадей, който работи в лаборатория още през 1832 г. Той изследва т.нар. магнитохидродинамичен ефект, или по-точно търси електромагнитна движеща сила и се опитва да я приложи успешно. Река Темза се използва като източник на енергия. Заедно с наименованието на ефекта устройството се нарича още магнитохидродинамичен осцилатор.

Това MHD устройство директно преобразува една форма на енергия в друга - механична енергия в електрическа. Особеностите на такъв процес и описанието на принципа на неговото действие като цяло са описани подробно в Магнитохидродинамика. Самият генератор е кръстен на тази дисциплина.

Описание на ефекта

Първото нещо, което трябва да разберете, е какво се случва по време на работа на устройството. Това е единственият начин да разберете принцип на работа на магнитохидродинамичния генератор в действие. Ефектът се основава на генерирането на електрическо поле и, разбира се, на електрически ток в електролита. Последните са представени от различни среди, напр. течен метал, плазма (газ) или вода. От това можем да заключим, че принципът на работа се основава на електромагнитна индукция, която използва магнитно поле за генериране на електричество.

Оказва се, че проводникът трябва да се пресича с линиите на полето. Това е необходимо условие, за да могат йони със заряди, противоположни на тези на движещите се частици, да преминат през устройството. Важно е да се отбележи и поведението на полевите линии. Изграденото от тях магнитно поле се движи вътре в самия проводник в посока, обратна на тази, в която се намират зарядите на йоните.

Определение и история на MHD генератора

Апаратът представлява устройство за преобразуване на топлинна енергия в електрическа енергия. Той използва пълноценно ефекта, описан по-горе. В същото време магнитохидродинамичните генератори по едно време са били считани за доста новаторска и революционна идея, чието конструиране на първите образци е занимавало умовете на водещите учени на ХХ век. Финансирането на такива проекти скоро се изчерпа по причини, които не са напълно ясни. Първите експериментални инсталации вече са изградени, но използването им е преустановено.

Първите проекти на магнитодинамични генератори са описани още през 1907-910 г., но те не могат да бъдат създадени поради някои противоречиви физически и архитектурни характеристики. Например, все още не са разработени материали, които могат да функционират правилно при работни температури от 2500-3000 градуса по Целзий в газова среда. Руски модел щеше да се появи в специално изграден MHDPS в град Новомичуринск, който се намира в Рязанска област в близост до ГРЕС. Проектът е прекратен в началото на 90-те години.

Как работи устройството

Конструкцията и принципът на действие на магнитохидродинамичните генератори са основно същите като тези на обикновените варианти на машината. В основата му е ефектът на електромагнитната индукция, което означава, че в проводника се генерира ток. Това се дължи на факта, че, че последният пресича линиите на магнитното поле вътре в устройството. Има обаче една разлика между машинните и MHD генераторите. Въпросът е, че при магнитохидродинамичните версии самото работно тяло се използва директно като проводник.

Също така в центъра на действието заредени частици, които са повлияни от силата на Лоренц. Работната среда се движи през магнитното поле. Това създава потоци от носители на заряд с точно противоположни посоки. В началото на своето съществуване MHD генераторите са работили предимно с проводящи течности или електролити. Именно те бяха работното тяло. Съвременните варианти са преминали към плазма. носителите на заряд за новите машини са положителни йони и свободни електрони.

Проектиране на MHD генератори

Първата част на устройството се нарича канал, през който се движи работната среда. В днешно време магнитохидродинамичните генератори използват предимно плазма като основна среда. Следващият модул е система от магнити, които създават магнитното поле, и електроди, които освобождават енергията, получена в процеса на работа. Източниците могат да бъдат различни. В системата могат да се използват както електромагнити, така и постоянни магнити.

след това газът провежда електрически ток и се нагрява до температура на термична йонизация от около 10 000 келвина. От съществено значение е тази стойност да се намали. Температурната лента се понижава до 2,2-2,7 хил. келвина, тъй като към работната среда се добавят специални добавки с алкални метали. В противен случай плазмата не е толкова ефективна, колкото би била, ако електропроводимостта е значително по-ниска от тази на водата.

Типичен цикъл на устройството

Други компоненти на магнитохидродинамичния осцилатор, най-добре е да Списък, придружен от описание на функционалните процеси в последователността, в която те се случват.

1. В горивната камера се подава горивото. Добавят се и окислители и различни добавки.
2. Горивото започва да гори, при което се образува газ като продукт на горенето.
3. След това се включва дюзата на генератора. Газовете преминават през него, след което се разширяват и скоростта им се увеличава до скоростта на звука.
4. Действието достига до камерата, която преминава през магнитно поле. По стените му има специални електроди. На този етап от цикъла газовете достигат.
5. След това възбудените частици отклоняват работното тяло от първоначалната му траектория. Новата посока е точно там, където са разположени електродите.
6. Последният етап. Между електродите се генерира електрически ток. Това завършва цикъла.

Основни класификации

Съществуват много варианти на готовото устройство, но принципът на действие е един и същ във всеки от тях. Например, възможно е магнитохидродинамичен генератор да работи с твърдо гориво, като например продукти от изгарянето на изкопаеми горива. Парите на алкалните метали и техните двуфазни смеси с течни метали се използват като източник на енергия. В зависимост от продължителността на работа MHD генераторите се разделят на такива с дълъг и кратък живот, а последните се делят на импулсни и взривни генератори. Източниците на топлина включват ядрени реактори, топлообменници и реактивни двигатели.

Съществува и класификация според вида на работния цикъл. Съществуват само два основни вида подразделение основни видове. Генераторите с отворен цикъл имат работна течност, смесена с добавки. продуктите от изгарянето преминават през работната камера, където се почистват от замърсяванията в процеса и се изпускат в атмосферата. В затворен кръг работният флуид навлиза в топлообменника и едва след това попада в камерата на генератора. След това продуктите на горенето се отправят към компресора, който завършва цикъла. След това работният флуид се връща в топлообменника за първия етап.

Основни характеристики

За да се счита, че въпросът за това какво генерира магнитохидродинамичният генератор е напълно изяснен, е необходимо да се представят основните технически параметри на тези устройства. Първият от тях вероятно е силата. Тя е пропорционална на проводимостта на работното тяло и на квадратите на силата на магнитното поле и неговата скорост. Ако работното тяло е плазма с температура около 2-3 хиляди келвина, проводимостта е 11-13% пропорционална на нея и обратно пропорционална на квадратния корен от налягането.

Трябва да се посочат също така скоростта на потока и индукцията на магнитното поле. Първата от тези характеристики варира доста - от дозвукови скорости до хиперзвукови до 1900 метра в секунда. Магнитната индукция на магнитното поле зависи от конструкцията на магнитите. Ако са изработени от стомана, горната греда ще бъде определена на 2 Tesla. За система, състояща се от свръхпроводящи магнити, тази стойност нараства до 6-8 тесла.

Използване на MHD генератори

Днес няма широко разпространено използване на такива устройства. Въпреки това теоретично е възможно да се изградят електроцентрали с магнитохидродинамични генератори. Съществуват общо три допустими варианта:

1. Термоядрени електроцентрали. Те използват безнеутронен цикъл с MHD генератор. Като гориво обикновено се използва плазма при високи температури.
2. Топлоелектрически централи. Използва се отворен тип цикъл, а самите инсталации са доста прости. Това е вариантът, който все още има перспектива за развитие.
3. Ядрени електроцентрали. Работното тяло в този случай е инертен газ. То се загрява в ядрен реактор в затворен цикъл. Също така има перспективи за развитие. Но приложимостта му зависи от появата на ядрени реактори с работна температура на тялото над 2000 келвина.

Перспективи за устройствата

Значението на магнитохидродинамичните генератори зависи от редица фактори и нерешени проблеми. Например, тези устройства могат да генерират само постоянен ток, така че трябва да се проектират достатъчно мощни и икономични инвертори, които да ги управляват.

Друг възприеман проблем е липсата на необходимите материали, които могат да издържат дълго време на екстремните температури при отопление с гориво. Същото се отнася и за електродите, използвани в такива генератори.

Други приложения

Освен че могат да функционират в сърцето на електроцентралите, тези устройства могат да работят и в специални електроцентрали, което би било много полезно за ядрената енергетика. Прилагането на магнитохидродинамичния осцилатор е възможно и в хиперзвуковите летателни системи; досега обаче не е отбелязан напредък в тази област.