Generatore magnetoidrodinamico: dispositivo, principio di funzionamento e scopo

2024 Autore: Howard Calhoun | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-17 10:31

Non tutte le fonti di energia alternative sul pianeta Terra sono state studiate e applicate con successo finora. Tuttavia, l'umanità si sta sviluppando attivamente in questa direzione e trova nuove opzioni. Uno di questi era ottenere energia dall'elettrolita, che si trova in un campo magnetico.

Effetto progettato e origine del nome

I primi lavori in questo campo sono attribuiti a Faraday, che lavorò in condizioni di laboratorio già nel 1832. Ha studiato il cosiddetto effetto magnetoidrodinamico, o meglio, stava cercando una forza motrice elettromagnetica e ha cercato di applicarla con successo. La corrente del fiume Tamigi è stata utilizzata come fonte di energia. Insieme al nome dell'effetto, l'installazione ha ricevuto anche il nome: un generatore magnetoidrodinamico.

Questo dispositivo MHD ne converte direttamente unoforma di energia in un altro, cioè meccanico in elettrico. Le caratteristiche di tale processo e la descrizione del principio del suo funzionamento nel suo insieme sono descritte in dettaglio nella magnetoidrodinamica. Il generatore stesso prende il nome da questa disciplina.

Descrizione dell'azione effetto

Prima di tutto, dovresti capire cosa succede durante il funzionamento del dispositivo. Questo è l'unico modo per comprendere il principio del generatore magnetoidrodinamico in azione. L'effetto si basa sulla comparsa di un campo elettrico e, naturalmente, di una corrente elettrica nell'elettrolita. Quest'ultimo è rappresentato da vari mezzi, ad esempio metallo liquido, plasma (gas) o acqua. Da ciò possiamo concludere che il principio di funzionamento si basa sull'induzione elettromagnetica, che utilizza un campo magnetico per generare elettricità.

Si scopre che il conduttore deve intersecare le linee di forza del campo. Questa, a sua volta, è una condizione obbligatoria affinché i flussi di ioni con cariche opposte rispetto alle particelle in movimento inizino a comparire all'interno del dispositivo. È anche importante notare il comportamento delle linee di campo. Il campo magnetico che ne deriva si muove all'interno del conduttore stesso in direzione opposta a quella in cui si trovano le cariche ioniche.

Definizione e storia del generatore MHD

L'impianto è un dispositivo per convertire l'energia termica in energia elettrica. Si applica pienamente quanto sopraEffetto. Allo stesso tempo, i generatori magnetoidrodinamici erano un tempo considerati un'idea piuttosto innovativa e rivoluzionaria, la cui costruzione dei primi campioni occupava le menti dei principali scienziati del ventesimo secolo. Ben presto, i finanziamenti per tali progetti si esaurirono per ragioni non del tutto chiare. Le prime installazioni sperimentali sono già state realizzate, ma il loro utilizzo è stato abbandonato.

I primissimi progetti di generatori magnetodinamici furono descritti nel 1907-910, tuttavia, non fu possibile crearli a causa di una serie di caratteristiche fisiche e architettoniche contraddittorie. A titolo di esempio, possiamo citare il fatto che non sono ancora stati creati materiali che potrebbero funzionare normalmente a temperature di esercizio di 2500-3000 gradi Celsius in ambiente gassoso. Il modello russo doveva apparire in un MGDES appositamente costruito nella città di Novomichurinsk, che si trova nella regione di Ryazan, in prossimità della centrale elettrica del distretto statale. Il progetto è stato cancellato all'inizio degli anni '90.

Come funziona il dispositivo

Il design e il principio di funzionamento dei generatori magnetoidrodinamici ripetono per la maggior parte quelli delle normali varianti di macchine. La base è l'effetto dell'induzione elettromagnetica, il che significa che una corrente appare nel conduttore. Ciò è dovuto al fatto che quest'ultimo attraversa le linee del campo magnetico all'interno del dispositivo. Tuttavia, c'è una differenza tra la macchina e i generatori MHD. Sta nel fatto che per le varianti magnetoidrodinamiche comeil conduttore viene utilizzato direttamente dall'ente di lavoro stesso.

L'azione si basa anche su particelle cariche, che sono influenzate dalla forza di Lorentz. Il movimento del fluido di lavoro avviene attraverso il campo magnetico. A causa di ciò, ci sono flussi di portatori di carica con direzioni esattamente opposte. Nella fase di formazione, i generatori MHD utilizzavano principalmente liquidi o elettroliti elettricamente conduttivi. Erano loro che erano il vero corpo di lavoro. Le varianti moderne sono passate al plasma. I portatori di carica per le nuove macchine sono ioni positivi ed elettroni liberi.

Progettazione di generatori MHD

Il primo nodo del dispositivo è chiamato il canale attraverso il quale si muove il fluido di lavoro. Attualmente, i generatori magnetoidrodinamici utilizzano principalmente il plasma come mezzo principale. Il nodo successivo è un sistema di magneti responsabili della creazione di un campo magnetico e di elettrodi per deviare l'energia che verrà ricevuta durante il processo di lavoro. Tuttavia, le fonti potrebbero essere diverse. Sia gli elettromagneti che i magneti permanenti possono essere utilizzati nel sistema.

Successivamente, il gas conduce elettricità e si riscalda fino alla temperatura di ionizzazione termica, che è di circa 10.000 Kelvin. Dopo questo indicatore deve essere ridotto. La barra della temperatura scende a 2, 2-2, 7 mila Kelvin a causa del fatto che nell'ambiente di lavoro vengono aggiunti speciali additivi con metalli alcalini. In caso contrario, il plasma non è sufficientegrado effettivo, perché il valore della sua conducibilità elettrica diventa molto inferiore a quello della stessa acqua.

Ciclo tipico del dispositivo

Gli altri nodi che compongono il progetto del generatore magnetoidrodinamico sono meglio elencati insieme a una descrizione dei processi funzionali nella sequenza in cui si verificano.

1. La camera di combustione riceve il carburante caricato al suo interno. Vengono aggiunti anche agenti ossidanti e vari additivi.
2. Il carburante inizia a bruciare, consentendo la formazione di gas come prodotto della combustione.
3. Successivamente, viene attivato l'ugello del generatore. I gas lo attraversano, dopodiché si espandono e la loro velocità aumenta alla velocità del suono.
4. L'azione arriva in una camera che attraversa un campo magnetico attraverso se stessa. Sulle sue pareti ci sono elettrodi speciali. È qui che entrano i gas in questa fase del ciclo.
5. Allora il corpo che lavora sotto l'influenza di particelle cariche devia dalla sua traiettoria primaria. La nuova direzione è esattamente dove si trovano gli elettrodi.
6. La fase finale. Viene generata una corrente elettrica tra gli elettrodi. Qui è dove finisce il ciclo.

Classifiche principali

Ci sono molte opzioni per il dispositivo finito, ma il principio di funzionamento sarà praticamente lo stesso in ognuna di esse. Ad esempio, è possibile avviare un generatore magnetoidrodinamico a combustibili solidi come i prodotti della combustione fossile. Anche come fonteenergia, vengono utilizzati vapori di metalli alcalini e le loro miscele bifase con metalli liquidi. In base alla durata del funzionamento, i generatori MHD sono suddivisi in a lungo termine ea breve termine e quest'ultimo in pulsato ed esplosivo. Le fonti di calore includono reattori nucleari, scambiatori di calore e motori a reazione.

Inoltre, esiste anche una classificazione in base al tipo di ciclo di lavoro. Qui la divisione avviene solo in due tipi principali. I generatori a ciclo aperto hanno un fluido di lavoro miscelato con additivi. I prodotti della combustione passano attraverso la camera di lavoro, dove vengono ripuliti dalle impurità nel processo e rilasciati nell'atmosfera. In un ciclo chiuso, il fluido di lavoro entra nello scambiatore di calore e solo allora entra nella camera del generatore. Successivamente, i prodotti della combustione attendono il compressore, che completa il ciclo. Dopodiché, il fluido di lavoro ritorna al primo stadio nello scambiatore di calore.

Caratteristiche principali

Se la domanda su cosa produce un generatore magnetoidrodinamico può essere considerata completamente coperta, allora dovrebbero essere presentati i principali parametri tecnici di tali dispositivi. Il primo di questi per importanza è probabilmente il potere. È proporzionale alla conduttività del fluido di lavoro, nonché ai quadrati dell'intensità del campo magnetico e della sua velocità. Se il fluido di lavoro è un plasma con una temperatura di circa 2-3 mila Kelvin, allora la conducibilità è proporzionale ad esso in 11-13 gradi e inversamente proporzionale alla radice quadrata della pressione.

Dovresti anche fornire i dati sulla portata einduzione del campo magnetico. La prima di queste caratteristiche varia abbastanza ampiamente, da velocità subsoniche a velocità ipersoniche fino a 1900 metri al secondo. Per quanto riguarda l'induzione del campo magnetico, dipende dal design dei magneti. Se sono in acciaio, la barra superiore sarà impostata a circa 2 T. Per un sistema costituito da magneti superconduttori, questo valore sale a 6-8 T.

Applicazione di generatori MHD

Oggi non si osserva un ampio uso di tali dispositivi. Tuttavia, è teoricamente possibile costruire centrali elettriche con generatori magnetoidrodinamici. Ci sono tre variazioni valide in totale:

1. Centrali a fusione. Usano un ciclo senza neutroni con un generatore MHD. È consuetudine utilizzare il plasma ad alte temperature come combustibile.
2. Centrali termiche. Viene utilizzato un tipo di ciclo aperto e le installazioni stesse sono abbastanza semplici in termini di caratteristiche del design. È questa opzione che ha ancora prospettive di sviluppo.
3. Centrali nucleari. Il fluido di lavoro in questo caso è un gas inerte. Viene riscaldato in un reattore nucleare a ciclo chiuso. Ha anche prospettive di sviluppo. Tuttavia, la possibilità di applicazione dipende dall'emergere di reattori nucleari con una temperatura del fluido di lavoro superiore a 2 mila Kelvin.

Prospettiva del dispositivo

La rilevanza dei generatori magnetoidrodinamici dipende da una serie di fattori eproblemi ancora irrisolti. Un esempio è la capacità di tali dispositivi di generare solo corrente continua, il che significa che per la loro manutenzione è necessario progettare inverter sufficientemente potenti e, inoltre, economici.

Un altro problema visibile è la mancanza di materiali necessari che potrebbero funzionare per un tempo sufficientemente lungo in condizioni di riscaldamento del combustibile a temperature estreme. Lo stesso vale per gli elettrodi utilizzati in tali generatori.

Altri usi

Oltre a funzionare nel cuore delle centrali elettriche, questi dispositivi sono in grado di funzionare in centrali elettriche speciali, che sarebbero molto utili per l'energia nucleare. L'uso di un generatore magnetoidrodinamico è consentito anche nei sistemi aeronautici ipersonici, ma finora non sono stati osservati progressi in questo settore.