Магнитгидродинамикалық генератор: құрылғы, жұмыс принципі және тағайындалуы

2024 Автор: Howard Calhoun | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-17 10:33

Жер планетасындағы барлық баламалы энергия көздері әлі зерттелмеген және сәтті қолданылған жоқ. Соған қарамастан, адамзат осы бағытта белсенді түрде дамып, жаңа нұсқаларды табуда. Олардың бірі магнит өрісіндегі электролиттен энергия алу болды.

Атаудың жобаланған әсері және шығу тегі

Бұл саладағы алғашқы жұмыстар 1832 жылы зертханалық жағдайда жұмыс істеген Фарадейге тиесілі. Ол магнитогидродинамикалық эффект деп аталатынды зерттеді, дәлірек айтсақ, ол электромагниттік қозғаушы күш іздеп, оны сәтті қолдануға тырысты. Энергия көзі ретінде Темза өзенінің ағысы пайдаланылды. Эффект атауымен бірге қондырғы өз атын да алды - магнитогидродинамикалық генератор.

Бұл MHD құрылғысы біреуін тікелей түрлендіредіэнергияның басқа түріне, атап айтқанда механикалық электр түріне. Мұндай процестің ерекшеліктері және тұтастай оның жұмыс істеу принципінің сипаттамасы магнитогидродинамикада егжей-тегжейлі сипатталған. Генератордың өзі осы пәннің атымен аталды.

Әсер әрекетінің сипаттамасы

Ең алдымен құрылғының жұмысы кезінде не болатынын түсіну керек. Бұл магнитогидродинамикалық генератордың әрекет ету принципін түсінудің жалғыз жолы. Әсер электр өрісінің және, әрине, электролиттегі электр тогының пайда болуына негізделген. Соңғысы әртүрлі орталармен ұсынылған, мысалы, сұйық металл, плазма (газ) немесе су. Бұдан біз жұмыс принципі электромагниттік индукцияға негізделген деген қорытынды жасауға болады, ол электр энергиясын өндіру үшін магнит өрісін пайдаланады.

Өткізгіш өріс күш сызықтарымен қиылысуы керек екен. Бұл өз кезегінде қозғалыстағы бөлшектерге қатысты зарядтары қарама-қарсы иондар ағындарының құрылғы ішінде пайда бола бастауының міндетті шарты болып табылады. Сондай-ақ өріс сызықтарының әрекетін атап өту маңызды. Олардан құрылған магнит өрісі өткізгіштің ішінде ион зарядтары орналасқан жерден қарама-қарсы бағытта қозғалады.

MHD генераторының анықтамасы және тарихы

Орнату - бұл жылу энергиясын электр энергиясына түрлендіруге арналған құрылғы. Ол жоғарыда айтылғандарды толығымен қолданадыӘсер. Сонымен бірге, магнитогидродинамикалық генераторлар бір кездері өте жаңашыл және серпінді идея болып саналды, оның алғашқы үлгілерін құрастыру ХХ ғасырдың жетекші ғалымдарының санасын жаулап алды. Көп ұзамай мұндай жобаларды қаржыландыру толық түсініксіз себептерге байланысты таусылды. Алғашқы эксперименттік қондырғылар қазірдің өзінде орнатылған, бірақ оларды пайдаланудан бас тартылды.

Магнитодинамикалық генераторлардың ең алғашқы конструкциялары сонау 1907-910 жылдары сипатталған, бірақ олар бірқатар қарама-қайшы физикалық және архитектуралық ерекшеліктерге байланысты жасала алмады. Мысал ретінде газ тәрізді ортада 2500-3000 градус Цельсий жұмыс температурасында қалыпты жұмыс істей алатын материалдардың әлі жасалмағанын келтіруге болады. Ресейлік үлгі Рязань облысындағы мемлекеттік аудандық электр станциясына жақын орналасқан Новомичуринск қаласындағы арнайы салынған MGDES-те пайда болуы керек еді. Жоба 1990 жылдардың басында тоқтатылды.

Құрылғы қалай жұмыс істейді

Магнитогидродинамикалық генераторлардың конструкциясы мен жұмыс принципі көп жағдайда қарапайым машина нұсқаларын қайталайды. Негізі электромагниттік индукцияның әсері болып табылады, яғни өткізгіште ток пайда болады. Бұл соңғысының құрылғының ішіндегі магнит өрісінің сызықтарын кесіп өтуіне байланысты. Дегенмен, машина мен MHD генераторларының арасында бір айырмашылық бар. Магнитогидродинамикалық нұсқалар үшін бұл факт болып табыладыөткізгішті тікелей жұмыс органының өзі пайдаланады.

Әрекет сонымен қатар Лоренц күші әсер ететін зарядталған бөлшектерге негізделген. Жұмыс сұйықтығының қозғалысы магнит өрісі бойынша жүреді. Осыған байланысты, дәл қарама-қарсы бағытта заряд тасымалдаушылардың ағындары пайда болады. Қалыптасу кезеңінде MHD генераторлары негізінен электр өткізгіш сұйықтықтарды немесе электролиттерді пайдаланды. Дәл осылар жұмыс істейтін орган болды. Қазіргі заманғы вариациялар плазмаға көшті. Жаңа машиналар үшін заряд тасымалдаушылар оң иондар мен бос электрондар болып табылады.

MHD генераторларының дизайны

Құрылғының бірінші түйіні жұмыс сұйықтығы қозғалатын арна деп аталады. Қазіргі кезде магнитогидродинамикалық генераторлар негізгі орта ретінде негізінен плазманы пайдаланады. Келесі түйін - жұмыс процесінде алынатын энергияны бұру үшін магнит өрісі мен электродтарды жасауға жауапты магниттер жүйесі. Дегенмен, дереккөздер әртүрлі болуы мүмкін. Жүйеде электромагниттерді де, тұрақты магниттерді де пайдалануға болады.

Содан кейін газ электр тогын өткізеді және шамамен 10 000 Кельвин болатын термиялық иондау температурасына дейін қызады. Бұл көрсеткішті азайту керек кейін. Жұмыс ортасына сілтілік металдары бар арнайы қоспалар қосылғандықтан, температура жолағы 2, 2-2, 7 мың Кельвинге дейін төмендейді. Әйтпесе, плазма жеткіліксіздәрежесі тиімді, себебі оның электр өткізгіштігінің мәні сол суға қарағанда әлдеқайда төмен болады.

Типтік құрылғы циклы

Магнитогидродинамикалық генератордың дизайнын құрайтын басқа түйіндер функционалдық процестердің сипаттамасымен бірге олар орын алу ретімен берілген.

1. Жану камерасы оған жүктелген отынды қабылдайды. Сондай-ақ тотықтырғыштар мен әртүрлі қоспалар қосылады.
2. Отын жанып, жану өнімі ретінде газдың пайда болуына мүмкіндік береді.
3. Одан кейін генератор саптамасы іске қосылады. Ол арқылы газдар өтеді, содан кейін олар кеңейіп, жылдамдығы дыбыс жылдамдығына дейін артады.
4. Әрекет магнит өрісін өзі арқылы өткізетін камераға келеді. Оның қабырғаларында арнайы электродтар орналасқан. Циклдің осы сатысында газдар осы жерден келеді.
5. Содан кейін зарядталған бөлшектердің әсерінен жұмыс денесі өзінің бастапқы траекториясынан ауытқиды. Жаңа бағыт электродтар орналасқан жерде.
6. Қорытынды кезең. Электродтар арасында электр тогы пайда болады. Цикл осы жерде аяқталады.

Негізгі классификациялар

Дайын құрылғының көптеген нұсқалары бар, бірақ олардың кез келгенінде жұмыс принципі іс жүзінде бірдей болады. Мысалы, қатты отынның жану өнімдері сияқты магнитогидродинамикалық генераторды іске қосуға болады. Сондай-ақ дереккөз ретіндеэнергия, сілтілік металдар булары және олардың сұйық металдармен екі фазалы қоспалары қолданылады. Жұмыс істеу ұзақтығы бойынша MHD генераторлары ұзақ мерзімді және қысқа мерзімді, ал соңғысы - импульстік және жарылғыш болып бөлінеді. Жылу көздеріне ядролық реакторлар, жылу алмастырғыштар және реактивті қозғалтқыштар жатады.

Сонымен қатар, жұмыс циклінің түріне қарай классификация да бар. Мұнда бөлу тек екі негізгі түрге ғана кездеседі. Ашық циклды генераторларда қоспалармен араласқан жұмыс сұйықтығы болады. Жану өнімдері жұмыс камерасынан өтеді, онда олар процесте қоспалардан тазартылады және атмосфераға шығарылады. Жабық циклде жұмыс сұйықтығы жылу алмастырғышқа түседі, содан кейін ғана генератор камерасына түседі. Әрі қарай, жану өнімдері циклды аяқтайтын компрессорды күтеді. Осыдан кейін жұмыс сұйықтығы жылу алмастырғыштың бірінші сатысына оралады.

Негізгі мүмкіндіктер

Магнитогидродинамикалық генераторды неден шығарады деген сұрақ толығымен қамтылған деп санауға болатын болса, онда мұндай құрылғылардың негізгі техникалық параметрлерін көрсету керек. Маңыздылығының біріншісі – билік. Ол жұмыс сұйықтығының өткізгіштігіне, сондай-ақ магнит өрісінің кернеулігінің квадраттарына және оның жылдамдығына пропорционал. Егер жұмыс сұйықтығы шамамен 2-3 мың Кельвин температурасы бар плазма болса, онда өткізгіштік оған 11-13 градуста пропорционал және қысымның квадрат түбіріне кері пропорционал болады.

Сіз сондай-ақ ағын жылдамдығы және туралы деректерді беруіңіз керекмагнит өрісінің индукциясы. Бұл сипаттамалардың біріншісі айтарлықтай кең ауқымда өзгереді, ол дыбыстық жылдамдықтан секундына 1900 метрге дейінгі гипердыбыстық жылдамдыққа дейін өзгереді. Магнит өрісінің индукциясына келетін болсақ, ол магниттердің конструкциясына байланысты. Егер олар болаттан жасалған болса, онда жоғарғы жолақ шамамен 2 Т шамасында орнатылады. Асқын өткізгіш магниттерден тұратын жүйе үшін бұл мән 6-8 Т дейін артады.

MHD генераторларын қолдану

Бүгінгі күні мұндай құрылғыларды кеңінен қолдану байқалмайды. Соған қарамастан, теориялық тұрғыдан магнит гидродинамикалық генераторлары бар электр станцияларын салуға болады. Барлығы үш жарамды нұсқа бар:

1. Фьюзиялық электр станциялары. Олар MHD генераторы бар нейтронсыз циклды пайдаланады. Отын ретінде жоғары температурада плазманы пайдалану әдетке айналған.
2. Жылу электр станциялары. Циклдің ашық түрі пайдаланылады, ал қондырғылардың өзі дизайн ерекшеліктері бойынша өте қарапайым. Дәл осы опцияның әлі де даму перспективалары бар.
3. Атом электр станциялары. Бұл жағдайда жұмыс сұйықтығы инертті газ болып табылады. Ол тұйық циклде ядролық реакторда қызады. Оның да даму болашағы бар. Дегенмен, қолдану мүмкіндігі жұмыс сұйықтығының температурасы 2 мың Кельвиннен жоғары ядролық реакторлардың пайда болуына байланысты.

Құрылғы перспективасы

Магнитогидродинамикалық генераторлардың өзектілігі бірқатар факторларға жәнеәлі де шешілмеген мәселелер. Мысал ретінде мұндай құрылғылардың тек тұрақты токты генерациялау мүмкіндігін келтіруге болады, бұл оларға қызмет көрсету үшін жеткілікті қуатты және сонымен қатар үнемді инверторларды жобалау қажет екенін білдіреді.

Тағы бір көзге көрінетін мәселе – отынды шектен тыс температураға дейін қыздыру жағдайында жеткілікті ұзақ уақыт жұмыс істей алатын қажетті материалдардың болмауы. Бұл генераторларда қолданылатын электродтарға да қатысты.

Басқа пайдаланулар

Электр станцияларының орталығында жұмыс істеумен қатар, бұл құрылғылар арнайы электр станцияларында жұмыс істей алады, бұл атом энергетикасы үшін өте пайдалы болар еді. Магнитогидродинамикалық генераторды гипер дыбыстық ұшақ жүйелерінде де пайдалануға рұқсат етілген, бірақ әзірге бұл салада ешқандай ілгерілеушілік байқалған жоқ.