Magnetohidrodinamički generator: uređaj, princip rada i namjena

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-17 10:20

Nisu svi alternativni izvori energije na planeti Zemlji dosad proučavani i uspješno primijenjeni. Ipak, čovječanstvo se aktivno razvija u tom smjeru i pronalazi nove mogućnosti. Jedan od njih je bio dobijanje energije iz elektrolita, koji se nalazi u magnetskom polju.

Dizajnirani efekat i porijeklo imena

Prvi radovi u ovoj oblasti pripisuju se Faradeju, koji je radio u laboratorijskim uslovima još 1832. godine. Istraživao je takozvani magnetohidrodinamički efekat, odnosno tražio je elektromagnetnu pokretačku silu i pokušao je uspješno primijeniti. Struja rijeke Temze korištena je kao izvor energije. Uz naziv efekta, instalacija je dobila i naziv - magnetohidrodinamički generator.

Ovaj MHD uređaj direktno pretvara jedanoblik energije u drugu, odnosno mehaničku u električnu. Karakteristike takvog procesa i opis principa njegovog rada u cjelini detaljno su opisani u magnetohidrodinamici. Sam generator je dobio ime po ovoj disciplini.

Opis efekta akcije

Pre svega, treba da razumete šta se dešava tokom rada uređaja. Ovo je jedini način da se razumije princip rada magnetohidrodinamičkog generatora. Efekat se zasniva na pojavi električnog polja i, naravno, električne struje u elektrolitu. Potonji je predstavljen raznim medijima, na primjer, tekući metal, plazma (gas) ili voda. Iz ovoga možemo zaključiti da se princip rada zasniva na elektromagnetnoj indukciji, koja koristi magnetsko polje za generiranje električne energije.

Ispostavilo se da provodnik mora da se preseca sa linijama polja sile. To je, pak, obavezan uvjet da se unutar uređaja počnu pojavljivati tokovi jona suprotnih naboja u odnosu na čestice koje se kreću. Također je važno primijetiti ponašanje linija polja. Magnetno polje izgrađeno od njih kreće se unutar samog provodnika u suprotnom smjeru od onog u kojem se nalaze naboji jona.

Definicija i istorija MHD generatora

Instalacija je uređaj za pretvaranje toplotne energije u električnu energiju. U potpunosti se primjenjuje gore navedenoEfekat. Istovremeno, magnetohidrodinamički generatori su jedno vrijeme smatrani prilično inovativnom i revolucionarnom idejom, čija je konstrukcija prvih uzoraka okupirala umove vodećih naučnika dvadesetog stoljeća. Ubrzo su sredstva za ovakve projekte ponestala iz razloga koji nisu sasvim jasni. Prve eksperimentalne instalacije su već postavljene, ali je njihova upotreba napuštena.

Prvi dizajni magnetodinamičkih generatora opisani su još 1907-910, međutim, nisu mogli biti kreirani zbog niza kontradiktornih fizičkih i arhitektonskih karakteristika. Kao primjer možemo navesti činjenicu da još nisu stvoreni materijali koji bi mogli normalno funkcionirati na radnim temperaturama od 2500-3000 stepeni Celzijusa u plinovitom okruženju. Ruski model je trebao da se pojavi u specijalno izgrađenom MGDES-u u gradu Novomičurinsku, koji se nalazi u Rjazanskoj oblasti u neposrednoj blizini državne elektrane. Projekat je otkazan ranih 1990-ih.

Kako uređaj radi

Konstrukcija i princip rada magnetohidrodinamičkih generatora uglavnom ponavljaju one kod običnih varijanti mašina. Osnova je efekat elektromagnetne indukcije, što znači da se u vodiču pojavljuje struja. To je zbog činjenice da potonji prelazi linije magnetskog polja unutar uređaja. Međutim, postoji jedna razlika između mašinskih i MHD generatora. Ona leži u činjenici da za magnetohidrodinamičke varijante kaoprovodnik koristi direktno samo radno tijelo.

Akcija se takođe zasniva na naelektrisanim česticama, na koje utiče Lorentzova sila. Kretanje radnog fluida se dešava preko magnetnog polja. Zbog toga postoje tokovi nosilaca naboja sa potpuno suprotnim smjerovima. U fazi formiranja, MHD generatori su koristili uglavnom električno vodljive tekućine ili elektrolite. Oni su bili samo radno tijelo. Moderne varijacije su prešle na plazmu. Nosioci naboja za nove mašine su pozitivni joni i slobodni elektroni.

Dizajn MHD generatora

Prvi čvor uređaja naziva se kanal kroz koji se kreće radni fluid. Trenutno magnetohidrodinamički generatori uglavnom koriste plazmu kao glavni medij. Sljedeći čvor je sistem magneta koji su odgovorni za stvaranje magnetnog polja i elektroda za preusmjeravanje energije koja će biti primljena tokom procesa rada. Međutim, izvori mogu biti različiti. U sistemu se mogu koristiti i elektromagneti i trajni magneti.

Dalje, plin provodi električnu energiju i zagrijava se do temperature termalne jonizacije, koja je približno 10.000 Kelvina. Nakon toga se ovaj indikator mora smanjiti. Temperaturna traka pada na 2,2-2,7 hiljada Kelvina zbog činjenice da se u radnu okolinu dodaju posebni aditivi sa alkalnim metalima. U suprotnom, plazma nije dovoljnastepena efektivnog, jer vrijednost njegove električne provodljivosti postaje mnogo niža od one iste vode.

Tipični ciklus uređaja

Drugi čvorovi koji čine dizajn magnetohidrodinamičkog generatora najbolje su navedeni zajedno s opisom funkcionalnih procesa u redoslijedu u kojem se događaju.

1. Komora za sagorevanje prima gorivo ubačeno u nju. Dodati su i oksidanti i razni aditivi.
2. Gorivo počinje da gori, omogućavajući stvaranje gasa kao produkta sagorevanja.
3. Dalje se aktivira mlaznica generatora. Gasovi prolaze kroz njega, nakon čega se šire, a njihova brzina raste do brzine zvuka.
4. Akcija dolazi do komore koja propušta magnetno polje kroz sebe. Na njegovim zidovima su posebne elektrode. Ovo je mjesto gdje gasovi dolaze u ovoj fazi ciklusa.
5. Tada radno tijelo pod utjecajem nabijenih čestica odstupa od svoje primarne putanje. Novi pravac je tačno tamo gde su elektrode.
6. Završna faza. Između elektroda se stvara električna struja. Ovdje se ciklus završava.

Glavne klasifikacije

Postoji mnogo opcija za gotov uređaj, ali princip rada će biti gotovo isti u bilo kojoj od njih. Na primjer, moguće je pokrenuti magnetohidrodinamički generator na čvrsto gorivo poput fosilnih produkata izgaranja. Takođe kao izvorenergije, koriste se pare alkalnih metala i njihove dvofazne mješavine sa tekućim metalima. Prema trajanju rada, MHD generatori se dijele na dugotrajne i kratkotrajne, a potonje na impulsne i eksplozivne. Izvori toplote uključuju nuklearne reaktore, izmjenjivače topline i mlazne motore.

Pored toga, postoji i klasifikacija prema vrsti radnog ciklusa. Ovdje se podjela javlja samo na dva glavna tipa. Generatori otvorenog ciklusa imaju radni fluid pomešan sa aditivima. Produkti sagorevanja prolaze kroz radnu komoru, gde se pri tome čiste od nečistoća i ispuštaju u atmosferu. U zatvorenom ciklusu radni fluid ulazi u izmjenjivač topline i tek tada ulazi u komoru generatora. Zatim, proizvodi izgaranja čekaju kompresor, koji završava ciklus. Nakon toga, radni fluid se vraća u prvi stepen u izmjenjivaču topline.

Glavne karakteristike

Ako se pitanje šta proizvodi magnetohidrodinamički generator može smatrati u potpunosti pokrivenim, onda treba predstaviti glavne tehničke parametre takvih uređaja. Prva od njih po važnosti je vjerovatno moć. Ona je proporcionalna provodljivosti radnog fluida, kao i kvadratima jačine magnetnog polja i njegove brzine. Ako je radni fluid plazma sa temperaturom od oko 2-3 hiljade Kelvina, onda je provodljivost srazmerna njoj za 11-13 stepeni i obrnuto proporcionalna kvadratnom korenu pritiska.

Također treba da navedete podatke o brzini protoka iindukcija magnetnog polja. Prva od ovih karakteristika varira prilično široko, u rasponu od podzvučnih brzina do hipersoničnih brzina do 1900 metara u sekundi. Što se tiče indukcije magnetnog polja, ona zavisi od dizajna magneta. Ako su napravljeni od čelika, onda će gornja šipka biti postavljena na oko 2 T. Za sistem koji se sastoji od supravodljivih magneta, ova vrijednost raste na 6-8 T.

Primjena MHD generatora

Široka upotreba ovakvih uređaja danas se ne primjećuje. Ipak, teoretski je moguće graditi elektrane sa magnetohidrodinamičkim generatorima. Ukupno postoje tri važeće varijacije:

1. Fuzijske elektrane. Oni koriste ciklus bez neutrona sa MHD generatorom. Uobičajeno je da se kao gorivo koristi plazma na visokim temperaturama.
2. Termoelektrane. Koristi se otvoreni tip ciklusa, a same instalacije su prilično jednostavne u pogledu karakteristika dizajna. Upravo ova opcija još uvijek ima izglede za razvoj.
3. Nuklearne elektrane. Radni fluid u ovom slučaju je inertni gas. Zagreva se u nuklearnom reaktoru u zatvorenom ciklusu. Takođe ima izglede za razvoj. Međutim, mogućnost primene zavisi od pojave nuklearnih reaktora sa temperaturom radnog fluida iznad 2 hiljade Kelvina.

Perspektiva uređaja

Relevantnost magnetohidrodinamičkih generatora zavisi od brojnih faktora iproblemi i dalje neriješeni. Primjer je sposobnost ovakvih uređaja da generiraju samo jednosmjernu struju, što znači da je za njihovo održavanje potrebno dizajnirati dovoljno moćne i, osim toga, ekonomične pretvarače.

Još jedan vidljiv problem je nedostatak potrebnih materijala koji bi mogli da rade dovoljno dugo u uslovima zagrevanja goriva do ekstremnih temperatura. Isto važi i za elektrode koje se koriste u takvim generatorima.

Druge upotrebe

Osim što funkcionišu u srcu elektrana, ovi uređaji mogu da rade i u specijalnim elektranama, što bi bilo veoma korisno za nuklearnu energiju. Upotreba magnetohidrodinamičkog generatora je takođe dozvoljena u sistemima hipersoničnih aviona, ali do sada nije uočen napredak u ovoj oblasti.