Magnetohydrodynamische generator: apparaat, werkingsprincipe en doel

2024 Auteur: Howard Calhoun | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-17 10:36

Niet alle alternatieve energiebronnen op planeet Aarde zijn tot nu toe bestudeerd en met succes toegepast. Desalniettemin ontwikkelt de mensheid zich actief in deze richting en vindt ze nieuwe opties. Een daarvan was om energie te halen uit de elektrolyt, die zich in een magnetisch veld bevindt.

Ontworpen effect en oorsprong van de naam

De eerste werken op dit gebied worden toegeschreven aan Faraday, die al in 1832 in laboratoriumomstandigheden werkte. Hij onderzocht het zogenaamde magnetohydrodynamische effect, of beter gezegd, hij was op zoek naar een elektromagnetische drijvende kracht en probeerde die met succes toe te passen. De stroming van de rivier de Theems werd gebruikt als energiebron. Naast de naam van het effect kreeg de installatie ook zijn naam - een magnetohydrodynamische generator.

Dit MHD-apparaat converteert er direct eenvorm van energie in een andere, namelijk mechanisch in elektrisch. De kenmerken van een dergelijk proces en de beschrijving van het principe van zijn werking als geheel worden in detail beschreven in magnetohydrodynamica. De generator zelf is vernoemd naar deze discipline.

Beschrijving van effectactie

Allereerst moet je begrijpen wat er gebeurt tijdens de werking van het apparaat. Dit is de enige manier om het principe van de magnetohydrodynamische generator in actie te begrijpen. Het effect is gebaseerd op het verschijnen van een elektrisch veld en natuurlijk een elektrische stroom in de elektrolyt. Dit laatste wordt weergegeven door verschillende media, bijvoorbeeld vloeibaar metaal, plasma (gas) of water. Hieruit kunnen we concluderen dat het werkingsprincipe gebaseerd is op elektromagnetische inductie, die een magnetisch veld gebruikt om elektriciteit op te wekken.

Het blijkt dat de geleider de veldlijnen van kracht moet snijden. Dit is op zijn beurt een verplichte voorwaarde voor de stromen van ionen met tegengestelde ladingen ten opzichte van de bewegende deeltjes om in het apparaat te verschijnen. Het is ook belangrijk om te letten op het gedrag van de veldlijnen. Het magnetische veld dat daaruit wordt opgebouwd, beweegt in de geleider zelf in de tegenovergestelde richting van die waar de ionenladingen zich bevinden.

Definitie en geschiedenis van de MHD-generator

De installatie is een apparaat om thermische energie om te zetten in elektrische energie. Het is volledig van toepassing op het bovenstaandeEffect. Tegelijkertijd werden magnetohydrodynamische generatoren ooit beschouwd als een vrij innovatief en baanbrekend idee, waarvan de constructie van de eerste monsters de hoofden van vooraanstaande wetenschappers van de twintigste eeuw bezighield. Al snel raakte de financiering voor dergelijke projecten op om onduidelijke redenen. De eerste experimentele installaties zijn al geplaatst, maar het gebruik ervan is opgegeven.

De allereerste ontwerpen van magnetodynamische generatoren werden beschreven in 1907-910, maar ze konden niet worden gemaakt vanwege een aantal tegenstrijdige fysieke en architecturale kenmerken. Als voorbeeld kunnen we het feit noemen dat er nog geen materialen zijn gemaakt die normaal zouden kunnen functioneren bij bedrijfstemperaturen van 2500-3000 graden Celsius in een gasvormige omgeving. Het Russische model zou verschijnen in een speciaal gebouwde MGDES in de stad Novomichurinsk, die zich in de regio Ryazan in de buurt van de elektriciteitscentrale van het staatsdistrict bevindt. Het project werd begin jaren negentig stopgezet.

Hoe het apparaat werkt

Het ontwerp en het werkingsprincipe van magnetohydrodynamische generatoren herhalen grotendeels die van gewone machinevarianten. De basis is het effect van elektromagnetische inductie, wat betekent dat er een stroom in de geleider verschijnt. Dit komt door het feit dat deze de magnetische veldlijnen in het apparaat kruist. Er is echter één verschil tussen machine- en MHD-generatoren. Het ligt in het feit dat voor magnetohydrodynamische varianten alsdirigent wordt rechtstreeks door het werkende lichaam zelf gebruikt.

De actie is ook gebaseerd op geladen deeltjes, die worden beïnvloed door de Lorentzkracht. De beweging van de werkvloeistof vindt plaats over het magnetische veld. Hierdoor zijn er stromen van ladingsdragers met precies tegengestelde richtingen. In het stadium van vorming gebruikten MHD-generatoren voornamelijk elektrisch geleidende vloeistoffen of elektrolyten. Zij waren het eigenlijke werkende lichaam. Moderne varianten zijn overgestapt op plasma. De ladingsdragers voor de nieuwe machines zijn positieve ionen en vrije elektronen.

Ontwerp van MHD-generatoren

Het eerste knooppunt van het apparaat wordt het kanaal genoemd waardoor de werkvloeistof beweegt. Momenteel gebruiken magnetohydrodynamische generatoren voornamelijk plasma als het belangrijkste medium. Het volgende knooppunt is een systeem van magneten die verantwoordelijk zijn voor het creëren van een magnetisch veld en elektroden om de energie om te leiden die tijdens het werkproces wordt ontvangen. De bronnen kunnen echter verschillen. Zowel elektromagneten als permanente magneten kunnen in het systeem worden gebruikt.

Vervolgens geleidt het gas elektriciteit en warmt het op tot de thermische ionisatietemperatuur, die ongeveer 10.000 Kelvin is. Na deze indicator moet worden verminderd. De temperatuurbalk da alt tot 2, 2-2, 7 duizend Kelvin vanwege het feit dat speciale additieven met alkalimetalen aan de werkomgeving worden toegevoegd. Anders is het plasma niet voldoendemate effectief, omdat de waarde van zijn elektrische geleidbaarheid veel lager wordt dan die van hetzelfde water.

Typische apparaatcyclus

Andere knooppunten die deel uitmaken van het ontwerp van de magnetohydrodynamische generator kunnen het beste worden vermeld samen met een beschrijving van de functionele processen in de volgorde waarin ze plaatsvinden.

1. De verbrandingskamer ontvangt de brandstof die erin is geladen. Oxidatiemiddelen en verschillende additieven worden ook toegevoegd.
2. De brandstof begint te branden, waardoor gas ontstaat als verbrandingsproduct.
3. Vervolgens wordt het generatormondstuk geactiveerd. Gassen gaan er doorheen, waarna ze uitzetten, en hun snelheid neemt toe tot de snelheid van het geluid.
4. De actie komt naar een kamer die een magnetisch veld door zichzelf laat gaan. Op de wanden bevinden zich speciale elektroden. Dit is waar de gassen binnenkomen in dit stadium van de cyclus.
5. Dan wijkt het werkende lichaam onder invloed van geladen deeltjes af van zijn primaire baan. De nieuwe richting is precies waar de elektroden zijn.
6. De laatste fase. Tussen de elektroden wordt een elektrische stroom opgewekt. Dit is waar de cyclus eindigt.

Hoofdclassificaties

Er zijn veel opties voor het voltooide apparaat, maar het werkingsprincipe zal in elk van hen vrijwel hetzelfde zijn. Het is bijvoorbeeld mogelijk om een magnetohydrodynamische generator te lanceren op vaste brandstof zoals fossiele verbrandingsproducten. Ook als bronenergie, alkalimetaaldampen en hun tweefasenmengsels met vloeibare metalen worden gebruikt. Afhankelijk van de duur van de werking zijn MHD-generatoren verdeeld in lange en korte termijn, en de laatste - in gepulseerd en explosief. Warmtebronnen zijn onder meer kernreactoren, warmtewisselaars en straalmotoren.

Daarnaast is er ook een indeling naar type werkcyclus. Hier vindt de verdeling slechts plaats in twee hoofdtypen. Open cyclus generatoren hebben een werkvloeistof gemengd met additieven. De verbrandingsproducten gaan door de werkkamer, waar ze tijdens het proces worden ontdaan van onzuiverheden en vrijkomen in de atmosfeer. In een gesloten cyclus komt de werkvloeistof de warmtewisselaar binnen en komt pas daarna in de generatorkamer. Vervolgens wachten de verbrandingsproducten op de compressor, die de cyclus voltooit. Daarna keert de werkvloeistof terug naar de eerste trap in de warmtewisselaar.

Belangrijkste kenmerken

Als de vraag wat een magnetohydrodynamische generator produceert als volledig gedekt kan worden beschouwd, dan moeten de belangrijkste technische parameters van dergelijke apparaten worden gepresenteerd. De eerste van deze die van belang is, is waarschijnlijk macht. Het is evenredig met de geleidbaarheid van de werkvloeistof, evenals de kwadraten van de magnetische veldsterkte en de snelheid ervan. Als de werkvloeistof een plasma is met een temperatuur van ongeveer 2-3 duizend Kelvin, dan is de geleidbaarheid daarmee evenredig in 11-13 graden en omgekeerd evenredig met de vierkantswortel van de druk.

U moet ook gegevens verstrekken over de stroomsnelheid enmagnetische veldinductie. De eerste van deze kenmerken varieert vrij sterk, variërend van subsonische snelheden tot hypersonische snelheden tot 1900 meter per seconde. De inductie van het magnetische veld hangt af van het ontwerp van de magneten. Als ze van staal zijn, wordt de bovenste balk ingesteld op ongeveer 2 T. Voor een systeem dat bestaat uit supergeleidende magneten loopt deze waarde op tot 6-8 T.

Toepassing van MHD-generatoren

Veel gebruik van dergelijke apparaten wordt tegenwoordig niet waargenomen. Niettemin is het theoretisch mogelijk om energiecentrales te bouwen met magnetohydrodynamische generatoren. Er zijn in totaal drie geldige varianten:

1. Fusion-centrales. Ze gebruiken een neutronenloze cyclus met een MHD-generator. Het is gebruikelijk om plasma bij hoge temperaturen als brandstof te gebruiken.
2. Thermische centrales. Er wordt een open type fiets gebruikt en de installaties zelf zijn vrij eenvoudig in termen van ontwerpkenmerken. Het is deze optie die nog perspectieven biedt voor ontwikkeling.
3. Kerncentrales. De werkvloeistof is in dit geval een inert gas. Het wordt verwarmd in een kernreactor in een gesloten kringloop. Het heeft ook ontwikkelingsperspectieven. De mogelijkheid van toepassing hangt echter af van de opkomst van kernreactoren met een werkvloeistoftemperatuur van meer dan 2000 Kelvin.

Apparaatperspectief

De relevantie van magnetohydrodynamische generatoren hangt af van een aantal factoren enproblemen nog steeds niet opgelost. Een voorbeeld is het vermogen van dergelijke apparaten om alleen gelijkstroom te genereren, wat betekent dat het voor hun onderhoud noodzakelijk is om voldoende krachtige en bovendien zuinige omvormers te ontwerpen.

Een ander zichtbaar probleem is het gebrek aan noodzakelijke materialen die voldoende lang zouden kunnen werken in omstandigheden van brandstofverwarming tot extreme temperaturen. Hetzelfde geldt voor de elektroden die in dergelijke generatoren worden gebruikt.

Andere toepassingen

Deze apparaten functioneren niet alleen in het hart van energiecentrales, maar kunnen ook in speciale energiecentrales werken, wat erg handig zou zijn voor kernenergie. Het gebruik van een magnetohydrodynamische generator is ook toegestaan in hypersonische vliegtuigsystemen, maar tot nu toe is er geen vooruitgang geboekt op dit gebied.