ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی: دستگاه، اصل کار و هدف

2024 نویسنده: Howard Calhoun | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-17 10:25

همه منابع انرژی جایگزین در سیاره زمین تاکنون مورد مطالعه قرار نگرفته و به طور موفقیت آمیزی استفاده نشده اند. با این وجود، بشریت به طور فعال در حال توسعه در این جهت و یافتن گزینه های جدید است. یکی از آنها بدست آوردن انرژی از الکترولیت بود که در میدان مغناطیسی قرار دارد.

اثر طراحی شده و منشأ نام

نخستین آثار در این زمینه به فارادی نسبت داده می شود که در اوایل سال 1832 در شرایط آزمایشگاهی کار می کرد. او به‌اصطلاح اثر مغناطیسی هیدرودینامیکی را بررسی کرد، یا بهتر است بگوییم، او به دنبال نیروی محرکه الکترومغناطیسی بود و سعی کرد با موفقیت آن را اعمال کند. از جریان رودخانه تیمز به عنوان منبع انرژی استفاده می شد. همراه با نام اثر، نصب نام خود را نیز دریافت کرد - ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی.

این دستگاه MHD مستقیماً یکی را تبدیل می کندشکل انرژی به دیگری، یعنی مکانیکی به الکتریکی. ویژگی های چنین فرآیندی و شرح اصل عملکرد آن به طور کلی در مگنتوهیدرودینامیک به تفصیل شرح داده شده است. نام خود ژنراتور از این رشته گرفته شد.

شرح عمل افکت

اول از همه باید بفهمید در حین کار دستگاه چه اتفاقی می افتد. این تنها راه برای درک اصل ژنراتور مگنتوهیدرودینامیکی در عمل است. این اثر بر اساس ظاهر میدان الکتریکی و البته جریان الکتریکی در الکترولیت است. دومی با رسانه های مختلف، به عنوان مثال، فلز مایع، پلاسما (گاز) یا آب نشان داده می شود. از اینجا می توان نتیجه گرفت که اصل کار بر اساس القای الکترومغناطیسی است که از یک میدان مغناطیسی برای تولید الکتریسیته استفاده می کند.

معلوم می شود که هادی باید با خطوط میدان نیرو تقاطع داشته باشد. این به نوبه خود شرط اجباری است تا جریان یون هایی با بارهای مخالف نسبت به ذرات متحرک در داخل دستگاه ظاهر شوند. توجه به رفتار خطوط میدان نیز مهم است. میدان مغناطیسی ساخته شده از آنها در داخل خود رسانا در جهت مخالف از جایی که بارهای یونی در آن قرار دارند حرکت می کند.

تعریف و تاریخچه ژنراتور MHD

تاسیسات وسیله ای برای تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی است. موارد فوق را کاملاً اعمال می کنداثر. در همان زمان، ژنراتورهای مغناطیسی هیدرودینامیکی در یک زمان به عنوان یک ایده کاملاً ابتکاری و پیشرفت در نظر گرفته می شدند که ساخت اولین نمونه های آن ذهن دانشمندان برجسته قرن بیستم را به خود مشغول کرد. به زودی، بودجه برای چنین پروژه هایی به دلایلی که کاملاً مشخص نیست تمام شد. اولین تاسیسات آزمایشی قبلاً ساخته شده‌اند، اما استفاده از آنها کنار گذاشته شده است.

اولین طرح‌های ژنراتورهای مغناطیسی در سال‌های 1907-910 توصیف شد، اما به دلیل تعدادی از ویژگی‌های فیزیکی و معماری متناقض، امکان ایجاد آنها وجود نداشت. به عنوان مثال، می‌توان به این واقعیت اشاره کرد که هنوز موادی ساخته نشده‌اند که بتوانند در دمای عملیاتی 2500-3000 درجه سانتی‌گراد در یک محیط گازی عملکرد عادی داشته باشند. قرار بود مدل روسی در یک MGDES ساخته شده ویژه در شهر نوومیچورینسک که در منطقه ریازان در نزدیکی نیروگاه منطقه دولتی واقع شده است ظاهر شود. این پروژه در اوایل دهه 1990 لغو شد.

دستگاه چگونه کار می کند

طراحی و اصل عملکرد ژنراتورهای مغناطیسی هیدرودینامیکی در اکثر موارد مشابه انواع ماشین های معمولی است. اساس اثر القای الکترومغناطیسی است، به این معنی که یک جریان در هادی ظاهر می شود. این به این دلیل است که دومی از خطوط میدان مغناطیسی داخل دستگاه عبور می کند. با این حال، یک تفاوت بین ژنراتورهای ماشینی و MHD وجود دارد. این در این واقعیت نهفته است که برای انواع مگنتوهیدرودینامیکی به عنوانهادی مستقیماً توسط خود بدنه کار استفاده می شود.

عمل نیز بر اساس ذرات باردار است که تحت تأثیر نیروی لورنتس قرار دارند. حرکت سیال عامل در سراسر میدان مغناطیسی رخ می دهد. به همین دلیل، جریان حامل های بار با جهت های دقیقا مخالف وجود دارد. در مرحله تشکیل، ژنراتورهای MHD عمدتاً از مایعات یا الکترولیت های رسانای الکتریکی استفاده می کردند. آنها بودند که همان بدنه کار بودند. تغییرات مدرن به پلاسما تغییر کرده است. حامل های بار برای ماشین های جدید یون های مثبت و الکترون های آزاد هستند.

طراحی ژنراتورهای MHD

اولین گره دستگاه کانالی نامیده می شود که سیال عامل از طریق آن حرکت می کند. در حال حاضر ژنراتورهای مگنتوهیدرودینامیکی عمدتاً از پلاسما به عنوان محیط اصلی استفاده می کنند. گره بعدی سیستمی از آهنرباها است که وظیفه ایجاد میدان مغناطیسی و الکترودهایی برای منحرف کردن انرژی دریافتی در طول فرآیند کار را بر عهده دارند. با این حال، منابع ممکن است متفاوت باشد. هم آهنرباهای الکتریکی و هم آهنرباهای دائمی را می توان در سیستم استفاده کرد.

بعد، گاز جریان الکتریسیته را هدایت می کند و تا دمای یونیزاسیون حرارتی، که تقریباً 10000 کلوین است، گرم می شود. پس از این شاخص باید کاهش یابد. نوار دما به 2، 2-2، 7 هزار کلوین کاهش می یابد، زیرا افزودنی های ویژه با فلزات قلیایی به محیط کار اضافه می شود. در غیر این صورت، پلاسما کافی نیستدرجه موثر است، زیرا مقدار هدایت الکتریکی آن بسیار کمتر از همان آب می شود.

چرخه دستگاه معمولی

سایر گره هایی که طراحی ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی را تشکیل می دهند به بهترین وجه همراه با شرح فرآیندهای عملکردی در ترتیبی که در آن رخ می دهند فهرست شده اند.

1. محفظه احتراق سوخت بارگیری شده در آن را دریافت می کند. عوامل اکسید کننده و افزودنی های مختلف نیز اضافه شده است.
2. سوخت شروع به سوختن می کند و اجازه می دهد گاز به عنوان محصول احتراق شکل بگیرد.
3. بعد، نازل ژنراتور فعال می شود. گازها از آن عبور می کنند و پس از آن منبسط می شوند و سرعت آنها به سرعت صوت افزایش می یابد.
4. عمل به محفظه ای می رسد که میدان مغناطیسی را از خود عبور می دهد. بر روی دیوارهای آن الکترودهای ویژه قرار دارد. اینجاست که گازها در این مرحله از چرخه وارد می شوند.
5. سپس جسم کار تحت تأثیر ذرات باردار از مسیر اولیه خود منحرف می شود. جهت جدید دقیقاً همان جایی است که الکترودها قرار دارند.
6. مرحله پایانی. جریان الکتریکی بین الکترودها ایجاد می شود. اینجاست که چرخه به پایان می رسد.

طبقه بندی اصلی

گزینه های زیادی برای دستگاه تمام شده وجود دارد، اما اصل عملکرد تقریباً در هر یک از آنها یکسان خواهد بود. به عنوان مثال، می توان یک ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی را روی سوخت جامد مانند محصولات احتراق فسیلی راه اندازی کرد. همچنین به عنوان منبعانرژی، بخارات فلزات قلیایی و مخلوط دوفاز آنها با فلزات مایع استفاده می شود. با توجه به مدت زمان کار ، ژنراتورهای MHD به بلند مدت و کوتاه مدت و دومی به پالس و انفجاری تقسیم می شوند. منابع حرارتی شامل راکتورهای هسته‌ای، مبدل‌های حرارتی، و موتورهای جت هستند.

علاوه بر این، طبقه بندی بر اساس نوع چرخه کاری نیز وجود دارد. در اینجا تقسیم تنها به دو نوع اصلی رخ می دهد. ژنراتورهای چرخه باز دارای سیال کاری مخلوط با مواد افزودنی هستند. محصولات احتراق از محفظه کار عبور می کنند، جایی که در این فرآیند از ناخالصی ها پاک می شوند و در اتمسفر رها می شوند. در یک سیکل بسته، سیال عامل وارد مبدل حرارتی شده و تنها پس از آن وارد محفظه ژنراتور می شود. در مرحله بعد، محصولات احتراق منتظر کمپرسور هستند که چرخه را کامل می کند. پس از آن، سیال کار به مرحله اول در مبدل حرارتی باز می گردد.

ویژگی های اصلی

اگر بتوان این سوال را که چه چیزی یک ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی تولید می کند به طور کامل تحت پوشش در نظر گرفت، باید پارامترهای فنی اصلی چنین دستگاه هایی ارائه شود. اولین مورد از این مهم احتمالاً قدرت است. این با رسانایی سیال عامل و همچنین مربع های شدت میدان مغناطیسی و سرعت آن متناسب است. اگر سیال عامل پلاسمایی با دمای حدود 2-3 هزار کلوین باشد، رسانایی با آن در 11-13 درجه متناسب و با ریشه دوم فشار نسبت عکس دارد.

همچنین باید داده هایی در مورد نرخ جریان والقای میدان مغناطیسی اولین مورد از این ویژگی ها بسیار متفاوت است، از سرعت های مافوق صوت تا سرعت های مافوق صوت تا 1900 متر در ثانیه. در مورد القای میدان مغناطیسی، به طراحی آهنرباها بستگی دارد. اگر آنها از فولاد ساخته شده باشند، میله بالایی در حدود 2 T تنظیم می شود. برای سیستمی که از آهنرباهای ابررسانا تشکیل شده است، این مقدار به 6-8 T افزایش می یابد.

کاربرد ژنراتورهای MHD

استفاده گسترده از چنین وسایلی امروزه مشاهده نمی شود. با این وجود، از نظر تئوری امکان ساخت نیروگاه با ژنراتورهای مغناطیسی هیدرودینامیکی وجود دارد. در کل سه تغییر معتبر وجود دارد:

1. نیروگاه های فیوژن. آنها از یک چرخه بدون نوترون با یک ژنراتور MHD استفاده می کنند. استفاده از پلاسما در دماهای بالا به عنوان سوخت مرسوم است.
2. نیروگاههای حرارتی. یک چرخه باز استفاده می شود و خود نصب ها از نظر ویژگی های طراحی بسیار ساده هستند. این گزینه است که هنوز چشم انداز توسعه دارد.
3. نیروگاه های هسته ای. سیال کار در این مورد یک گاز بی اثر است. در یک رآکتور هسته ای در یک چرخه بسته گرم می شود. همچنین چشم اندازی برای توسعه دارد. با این حال، امکان استفاده بستگی به ظهور راکتورهای هسته ای با دمای سیال کاری بالای 2 هزار کلوین دارد.

دیدگاه دستگاه

ارتباط ژنراتورهای مغناطیسی هیدرودینامیکی به عوامل متعددی بستگی دارد.مشکلات هنوز حل نشده به عنوان مثال، توانایی چنین دستگاه هایی برای تولید تنها جریان مستقیم است، به این معنی که برای تعمیر و نگهداری آنها باید اینورترهای به اندازه کافی قدرتمند و اقتصادی طراحی شوند.

مشکل قابل مشاهده دیگر کمبود مواد لازم است که بتواند برای مدت زمان کافی در شرایط گرمایش سوخت تا دمای شدید کار کند. همین امر در مورد الکترودهای مورد استفاده در چنین ژنراتورهایی صدق می کند.

کاربردهای دیگر

این دستگاه‌ها علاوه بر کارکرد در قلب نیروگاه‌ها، می‌توانند در نیروگاه‌های ویژه نیز کار کنند که برای انرژی هسته‌ای بسیار مفید است. استفاده از ژنراتور مغناطیسی هیدرودینامیکی در سیستم های هواپیمای مافوق صوت نیز مجاز است، اما تاکنون هیچ پیشرفتی در این زمینه مشاهده نشده است.