Penjana magnetohidrodinamik: peranti, prinsip operasi dan tujuan

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-17 10:36

Tidak semua sumber tenaga alternatif di planet Bumi telah dikaji dan berjaya digunakan setakat ini. Namun begitu, manusia sedang giat membangun ke arah ini dan mencari pilihan baharu. Salah satunya adalah untuk mendapatkan tenaga daripada elektrolit, yang berada dalam medan magnet.

Kesan yang direka bentuk dan asal usul nama

Kerja pertama dalam bidang ini dikaitkan dengan Faraday, yang bekerja dalam keadaan makmal seawal tahun 1832. Dia menyiasat apa yang dipanggil kesan magnetohidrodinamik, atau sebaliknya, dia sedang mencari daya penggerak elektromagnet dan cuba menerapkannya dengan jayanya. Arus Sungai Thames digunakan sebagai sumber tenaga. Bersama-sama dengan nama kesan, pemasangan juga menerima namanya - penjana magnetohydrodynamic.

Peranti MHD ini secara langsung menukar satubentuk tenaga kepada yang lain iaitu mekanikal kepada elektrik. Ciri-ciri proses sedemikian dan perihalan prinsip operasinya secara keseluruhan diterangkan secara terperinci dalam magnetohidrodinamik. Penjana itu sendiri dinamakan sempena disiplin ini.

Penerangan tindakan kesan

Pertama sekali, anda harus memahami perkara yang berlaku semasa pengendalian peranti. Ini adalah satu-satunya cara untuk memahami prinsip penjana magnetohidrodinamik dalam tindakan. Kesannya adalah berdasarkan penampilan medan elektrik dan, sudah tentu, arus elektrik dalam elektrolit. Yang terakhir diwakili oleh pelbagai media, contohnya, logam cecair, plasma (gas) atau air. Daripada ini, kita boleh membuat kesimpulan bahawa prinsip operasi adalah berdasarkan aruhan elektromagnet, yang menggunakan medan magnet untuk menjana elektrik.

Ternyata konduktor mesti bersilang dengan garisan daya medan. Ini, seterusnya, adalah syarat wajib bagi aliran ion dengan cas yang bertentangan berbanding zarah yang bergerak untuk mula muncul di dalam peranti. Ia juga penting untuk diperhatikan kelakuan garis medan. Medan magnet yang terbina daripadanya bergerak di dalam konduktor itu sendiri dalam arah yang bertentangan dengan tempat cas ion berada.

Definisi dan sejarah penjana MHD

Pemasangan ialah peranti untuk menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik. Ia menggunakan sepenuhnya perkara di atasKesan. Pada masa yang sama, penjana magnetohydrodynamic dianggap pada satu masa sebagai idea yang agak inovatif dan terobosan, pembinaan sampel pertama yang menduduki fikiran saintis terkemuka abad kedua puluh. Tidak lama kemudian, pembiayaan untuk projek tersebut kehabisan atas sebab-sebab yang tidak jelas sepenuhnya. Pemasangan percubaan pertama telah pun didirikan, tetapi penggunaannya telah ditinggalkan.

Reka bentuk pertama penjana magnetodinamik telah diterangkan pada tahun 1907-910, namun, ia tidak dapat dibuat kerana beberapa ciri fizikal dan seni bina yang bercanggah. Sebagai contoh, kita boleh memetik fakta bahawa bahan belum lagi dicipta yang boleh berfungsi secara normal pada suhu operasi 2500-3000 darjah Celsius dalam persekitaran gas. Model Rusia sepatutnya muncul dalam MGDES yang dibina khas di bandar Novomichurinsk, yang terletak di wilayah Ryazan berdekatan dengan loji kuasa daerah negeri. Projek itu telah dibatalkan pada awal 1990-an.

Cara peranti berfungsi

Reka bentuk dan prinsip operasi penjana magnetohidrodinamik kebanyakannya mengulangi varian mesin biasa. Asasnya ialah kesan aruhan elektromagnet, yang bermaksud bahawa arus muncul dalam konduktor. Ini disebabkan oleh fakta bahawa yang terakhir melintasi garisan medan magnet di dalam peranti. Walau bagaimanapun, terdapat satu perbezaan antara mesin dan penjana MHD. Ia terletak pada hakikat bahawa untuk varian magnetohydrodynamic sebagaikonduktor digunakan secara langsung oleh badan kerja itu sendiri.

Tindakan ini juga berdasarkan zarah bercas, yang dipengaruhi oleh daya Lorentz. Pergerakan bendalir kerja berlaku merentasi medan magnet. Disebabkan ini, terdapat aliran pembawa caj dengan arah yang betul-betul bertentangan. Pada peringkat pembentukan, penjana MHD menggunakan terutamanya cecair atau elektrolit konduktif elektrik. Merekalah yang merupakan badan yang bekerja. Variasi moden telah bertukar kepada plasma. Pembawa cas untuk mesin baharu ialah ion positif dan elektron bebas.

Reka bentuk penjana MHD

Nod pertama peranti dipanggil saluran di mana bendalir kerja bergerak. Pada masa ini, penjana magnetohydrodynamic terutamanya menggunakan plasma sebagai medium utama. Nod seterusnya ialah sistem magnet yang bertanggungjawab mencipta medan magnet dan elektrod untuk mengalihkan tenaga yang akan diterima semasa proses kerja. Walau bagaimanapun, sumber mungkin berbeza. Kedua-dua elektromagnet dan magnet kekal boleh digunakan dalam sistem.

Seterusnya, gas mengalirkan elektrik dan memanaskan sehingga suhu pengionan terma, iaitu kira-kira 10,000 Kelvin. Selepas penunjuk ini mesti dikurangkan. Bar suhu turun kepada 2, 2-2, 7 ribu Kelvin disebabkan oleh fakta bahawa bahan tambahan khas dengan logam alkali ditambahkan ke persekitaran kerja. Jika tidak, plasma tidak mencukupidarjah berkesan, kerana nilai kekonduksian elektriknya menjadi jauh lebih rendah daripada air yang sama.

Kitaran peranti biasa

Nod lain yang membentuk reka bentuk penjana magnetohidrodinamik disenaraikan dengan terbaik bersama-sama dengan penerangan proses berfungsi dalam jujukan ia berlaku.

1. Kebuk pembakaran menerima bahan api yang dimuatkan ke dalamnya. Ejen pengoksidaan dan pelbagai bahan tambahan turut ditambah.
2. Bahan api mula terbakar, membenarkan gas terbentuk sebagai hasil pembakaran.
3. Seterusnya, muncung penjana diaktifkan. Gas melaluinya, selepas itu ia mengembang, dan kelajuannya meningkat kepada kelajuan bunyi.
4. Tindakan datang ke ruang yang melepasi medan magnet melalui dirinya sendiri. Pada dindingnya terdapat elektrod khas. Di sinilah gas masuk pada peringkat kitaran ini.
5. Kemudian badan yang bekerja di bawah pengaruh zarah bercas menyimpang daripada trajektori utamanya. Arah baharu adalah tepat di mana elektrod berada.
6. Peringkat akhir. Arus elektrik terhasil di antara elektrod. Di sinilah kitaran berakhir.

Klasifikasi utama

Terdapat banyak pilihan untuk peranti siap, tetapi prinsip operasi akan hampir sama dalam mana-mana peranti itu. Sebagai contoh, adalah mungkin untuk melancarkan penjana magnetohidrodinamik pada bahan api pepejal seperti produk pembakaran fosil. Juga sebagai sumbertenaga, wap logam alkali dan campuran dua fasanya dengan logam cecair digunakan. Mengikut tempoh operasi, penjana MHD dibahagikan kepada jangka panjang dan jangka pendek, dan yang terakhir - kepada berdenyut dan letupan. Sumber haba termasuk reaktor nuklear, penukar haba dan enjin jet.

Selain itu, terdapat juga pengelasan mengikut jenis kitaran kerja. Di sini pembahagian berlaku hanya kepada dua jenis utama. Penjana kitaran terbuka mempunyai cecair kerja bercampur dengan bahan tambahan. Produk pembakaran melalui ruang kerja, di mana ia dibersihkan daripada kekotoran dalam proses dan dilepaskan ke atmosfera. Dalam kitaran tertutup, bendalir kerja memasuki penukar haba dan hanya kemudian memasuki ruang penjana. Seterusnya, produk pembakaran sedang menunggu pemampat, yang melengkapkan kitaran. Selepas itu, bendalir kerja kembali ke peringkat pertama dalam penukar haba.

Ciri Utama

Jika persoalan tentang apa yang menghasilkan penjana magnetohidrodinamik boleh dianggap dilindungi sepenuhnya, maka parameter teknikal utama peranti sedemikian hendaklah dikemukakan. Perkara pertama yang penting ini mungkin kuasa. Ia adalah berkadar dengan kekonduksian bendalir kerja, serta kuasa dua kekuatan medan magnet dan kelajuannya. Jika bendalir kerja adalah plasma dengan suhu kira-kira 2-3 ribu Kelvin, maka kekonduksian adalah berkadar dengannya dalam 11-13 darjah dan berkadar songsang dengan punca kuasa dua tekanan.

Anda juga harus menyediakan data tentang kadar aliran danaruhan medan magnet. Ciri pertama ini berbeza dengan agak meluas, daripada kelajuan subsonik kepada kelajuan hipersonik sehingga 1900 meter sesaat. Bagi aruhan medan magnet, ia bergantung kepada reka bentuk magnet. Jika ia diperbuat daripada keluli, maka bar atas akan ditetapkan pada sekitar 2 T. Untuk sistem yang terdiri daripada magnet superkonduktor, nilai ini meningkat kepada 6-8 T.

Aplikasi penjana MHD

Penggunaan meluas peranti sedemikian hari ini tidak diperhatikan. Walau bagaimanapun, secara teorinya adalah mungkin untuk membina loji kuasa dengan penjana magnetohidrodinamik. Terdapat tiga variasi yang sah secara keseluruhan:

1. Loji kuasa gabungan. Mereka menggunakan kitaran tanpa neutron dengan penjana MHD. Adalah menjadi kebiasaan untuk menggunakan plasma pada suhu tinggi sebagai bahan api.
2. Loji kuasa haba. Jenis kitaran terbuka digunakan, dan pemasangan itu sendiri agak mudah dari segi ciri reka bentuk. Pilihan inilah yang masih mempunyai prospek untuk pembangunan.
3. Loji kuasa nuklear. Bendalir kerja dalam kes ini adalah gas lengai. Ia dipanaskan dalam reaktor nuklear dalam kitaran tertutup. Ia juga mempunyai prospek untuk pembangunan. Walau bagaimanapun, kemungkinan penggunaan bergantung pada kemunculan reaktor nuklear dengan suhu bendalir bekerja melebihi 2 ribu Kelvin.

Perspektif Peranti

Kaitan penjana magnetohidrodinamik bergantung kepada beberapa faktor danmasalah masih belum selesai. Contohnya ialah keupayaan peranti sedemikian untuk menjana hanya arus terus, yang bermaksud bahawa untuk penyelenggaraannya adalah perlu untuk mereka bentuk penyongsang yang cukup berkuasa dan, lebih-lebih lagi, penyongsang yang menjimatkan.

Masalah lain yang boleh dilihat ialah kekurangan bahan yang diperlukan yang boleh berfungsi untuk masa yang cukup lama dalam keadaan pemanasan bahan api kepada suhu yang melampau. Perkara yang sama berlaku untuk elektrod yang digunakan dalam penjana sedemikian.

Kegunaan lain

Selain berfungsi di tengah-tengah loji kuasa, peranti ini boleh berfungsi di loji kuasa khas, yang akan sangat berguna untuk tenaga nuklear. Penggunaan penjana magnetohidrodinamik juga dibenarkan dalam sistem pesawat hipersonik, tetapi setakat ini tiada kemajuan diperhatikan dalam bidang ini.