Magnetohydrodynamický generátor: zařízení, princip činnosti a účel

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-17 10:22

Dosud nebyly prozkoumány a úspěšně aplikovány všechny alternativní zdroje energie na planetě Zemi. Přesto se lidstvo tímto směrem aktivně rozvíjí a nachází nové možnosti. Jedním z nich bylo získat energii z elektrolytu, který je v magnetickém poli.

Navržený efekt a původ názvu

První práce v této oblasti jsou připisovány Faradayovi, který pracoval v laboratorních podmínkách již v roce 1832. Zkoumal tzv. magnetohydrodynamický efekt, respektive hledal elektromagnetickou hnací sílu a snažil se ji úspěšně aplikovat. Jako zdroj energie byl využíván proud řeky Temže. Spolu s názvem efektu dostala instalace i svůj název - magnetohydrodynamický generátor.

Toto zařízení MHD přímo převádí jedenformu energie na jinou, totiž mechanickou na elektrickou. Vlastnosti takového procesu a popis principu jeho fungování jako celku jsou podrobně popsány v magnetohydrodynamice. Samotný generátor byl pojmenován po této disciplíně.

Popis akce účinku

Především byste měli pochopit, co se děje během provozu zařízení. Jedině tak lze pochopit princip magnetohydrodynamického generátoru v činnosti. Účinek je založen na vzniku elektrického pole a samozřejmě elektrického proudu v elektrolytu. Ten je reprezentován různými médii, například tekutým kovem, plazmou (plynem) nebo vodou. Z toho můžeme usoudit, že princip činnosti je založen na elektromagnetické indukci, která využívá magnetické pole k výrobě elektřiny.

Ukazuje se, že vodič se musí protnout se siločarami. To je zase povinná podmínka pro to, aby se uvnitř zařízení začaly objevovat toky iontů s opačným nábojem vzhledem k pohybujícím se částicím. Je také důležité si všimnout chování siločar. Magnetické pole vytvořené z nich se pohybuje uvnitř samotného vodiče v opačném směru, než ve kterém jsou umístěny iontové náboje.

Definice a historie generátoru MHD

Instalace je zařízení pro přeměnu tepelné energie na elektrickou energii. Plně platí výše uvedenéÚčinek. Přitom magnetohydrodynamické generátory byly svého času považovány za docela inovativní a průlomový nápad, jehož konstrukce prvních vzorků zaměstnávala mysl předních vědců dvacátého století. Brzy z ne zcela jasných důvodů došly finance na takové projekty. První experimentální instalace již byly postaveny, ale od jejich použití se upustilo.

Úplně první návrhy magnetodynamických generátorů byly popsány již v letech 1907-910, ale nemohly být vytvořeny kvůli řadě protichůdných fyzikálních a architektonických prvků. Jako příklad můžeme uvést fakt, že dosud nebyly vytvořeny materiály, které by mohly normálně fungovat při provozních teplotách 2500-3000 stupňů Celsia v plynném prostředí. Ruský model se měl objevit ve speciálně postaveném MGDES ve městě Novomichurinsk, které se nachází v Rjazaňské oblasti v těsné blízkosti státní okresní elektrárny. Projekt byl zrušen na počátku 90. let.

Jak zařízení funguje

Konstrukce a princip činnosti magnetohydrodynamických generátorů z velké části opakují běžné varianty strojů. Základem je efekt elektromagnetické indukce, to znamená, že se ve vodiči objeví proud. To je způsobeno skutečností, že posledně jmenovaný kříží siločáry magnetického pole uvnitř zařízení. Mezi strojními a MHD generátory je však jeden rozdíl. Spočívá v tom, že pro magnetohydrodynamické varianty asvodič je používán přímo samotným pracovním orgánem.

Akce je také založena na nabitých částicích, které jsou ovlivněny Lorentzovou silou. Pohyb pracovní tekutiny nastává napříč magnetickým polem. Díky tomu dochází k tokům nosičů náboje s přesně opačnými směry. Ve fázi vzniku využívaly generátory MHD především elektricky vodivé kapaliny nebo elektrolyty. Byli to oni, kdo byl velmi pracovním orgánem. Moderní variace přešly na plazmu. Nosiče náboje pro nové stroje jsou kladné ionty a volné elektrony.

Návrh generátorů MHD

První uzel zařízení se nazývá kanál, kterým se pohybuje pracovní tekutina. V současnosti magnetohydrodynamické generátory využívají jako hlavní médium především plazmu. Dalším uzlem je systém magnetů, které jsou zodpovědné za vytvoření magnetického pole a elektrod pro odklonění energie, která bude přijata během pracovního procesu. Zdroje se však mohou lišit. V systému lze použít elektromagnety i permanentní magnety.

Dále plyn vede elektřinu a zahřívá se na teplotu tepelné ionizace, která je přibližně 10 000 Kelvinů. Poté musí být tento indikátor snížen. Teplotní lišta klesá na 2, 2-2, 7 tisíc Kelvinů kvůli tomu, že se do pracovního prostředí přidávají speciální přísady s alkalickými kovy. Jinak plazma nestačístupeň efektivní, protože hodnota jeho elektrické vodivosti je mnohem nižší než hodnota stejné vody.

Typický cyklus zařízení

Další uzly, které tvoří návrh magnetohydrodynamického generátoru, jsou nejlépe uvedeny spolu s popisem funkčních procesů v pořadí, ve kterém se vyskytují.

1. Spalovací komora přijímá palivo, které je do ní vloženo. Přidávají se také oxidační činidla a různé přísady.
2. Palivo začne hořet a umožňuje vznik plynu jako produktu spalování.
3. Následně se aktivuje tryska generátoru. Plyny jím procházejí, poté expandují a jejich rychlost se zvyšuje na rychlost zvuku.
4. Akce přichází do komory, která prochází magnetickým polem skrz sebe. Na jeho stěnách jsou speciální elektrody. To je místo, kde plyny přicházejí v této fázi cyklu.
5. Pak se pracovní těleso pod vlivem nabitých částic odchýlí od své primární trajektorie. Nový směr je přesně tam, kde jsou elektrody.
6. Konečná fáze. Mezi elektrodami vzniká elektrický proud. Tady cyklus končí.

Hlavní klasifikace

Existuje mnoho možností pro hotové zařízení, ale princip fungování bude v každé z nich prakticky stejný. Například je možné spustit magnetohydrodynamický generátor na pevné palivo, jako jsou fosilní produkty spalování. Také jako zdrojenergie se používají páry alkalických kovů a jejich dvoufázové směsi s tekutými kovy. Podle doby provozu jsou generátory MHD rozděleny na dlouhodobé a krátkodobé a druhé - na pulzní a výbušné. Mezi zdroje tepla patří jaderné reaktory, tepelné výměníky a proudové motory.

Kromě toho existuje také klasifikace podle typu pracovního cyklu. Zde dochází k rozdělení pouze na dva hlavní typy. Generátory s otevřeným cyklem mají pracovní kapalinu smíchanou s přísadami. Zplodiny hoření procházejí pracovní komorou, kde jsou během procesu očištěny od nečistot a uvolňovány do atmosféry. V uzavřeném cyklu vstupuje pracovní tekutina do výměníku tepla a teprve poté vstupuje do komory generátoru. Dále zplodiny hoření čekají na kompresor, který dokončí cyklus. Poté se pracovní tekutina vrací do prvního stupně ve výměníku tepla.

Hlavní funkce

Pokud lze otázku, co vyrábí magnetohydrodynamický generátor, považovat za plně pokrytou, pak by měly být uvedeny hlavní technické parametry takových zařízení. Prvním z nich je pravděpodobně moc. Je úměrná vodivosti pracovní tekutiny, stejně jako druhé mocnině síly magnetického pole a jeho rychlosti. Pokud je pracovní tekutinou plazma o teplotě asi 2-3 tisíc Kelvinů, pak je vodivost úměrná jí v 11-13 stupních a nepřímo úměrná druhé odmocnině tlaku.

Měli byste také poskytnout údaje o průtoku aindukce magnetického pole. První z těchto charakteristik se značně liší, od podzvukových rychlostí až po hypersonické rychlosti až do 1900 metrů za sekundu. Co se týče indukce magnetického pole, záleží na konstrukci magnetů. Pokud jsou vyrobeny z oceli, pak bude horní tyč nastavena na přibližně 2 T. U systému, který se skládá ze supravodivých magnetů, tato hodnota stoupá na 6-8 T.

Použití generátorů MHD

Široké použití takových zařízení dnes není pozorováno. Přesto je teoreticky možné stavět elektrárny s magnetohydrodynamickými generátory. Existují celkem tři platné varianty:

1. Fuzní elektrárny. Používají bezneutronový cyklus s generátorem MHD. Je obvyklé používat plazmu při vysokých teplotách jako palivo.
2. Tepelné elektrárny. Používá se otevřený typ cyklu a samotné instalace jsou z hlediska konstrukčních prvků poměrně jednoduché. Právě tato možnost má stále vyhlídky na rozvoj.
3. Jaderné elektrárny. Pracovní tekutinou je v tomto případě inertní plyn. Ohřívá se v jaderném reaktoru v uzavřeném cyklu. Má také perspektivu rozvoje. Možnost aplikace však závisí na vzniku jaderných reaktorů s teplotou pracovní tekutiny nad 2 tisíce Kelvinů.

Perspektiva zařízení

Význam magnetohydrodynamických generátorů závisí na řadě faktorů aproblémy stále nevyřešené. Příkladem je schopnost takových zařízení generovat pouze stejnosměrný proud, což znamená, že pro jejich údržbu je nutné navrhnout dostatečně výkonné a navíc ekonomické střídače.

Dalším viditelným problémem je nedostatek potřebných materiálů, které by mohly fungovat dostatečně dlouhou dobu v podmínkách ohřevu paliva na extrémní teploty. Totéž platí pro elektrody používané v takových generátorech.

Další použití

Kromě fungování v srdci elektráren jsou tato zařízení schopna pracovat ve speciálních elektrárnách, což by bylo velmi užitečné pro jadernou energetiku. Použití magnetohydrodynamického generátoru je povoleno také v systémech hypersonických letadel, ale zatím nebyl v této oblasti pozorován žádný pokrok.