Magnetohydrodynaaminen generaattori

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 10. helmikuuta 2022 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 3 muokkausta .

Magnetohydrodynaaminen generaattori, MHD - generaattori - voimalaitos, jossa magneettikentässä liikkuvan  työnesteen (nestemäisen tai kaasumaisen sähköä johtavan väliaineen) energia muunnetaan suoraan sähköenergiaksi .

Nimen alkuperä

MHD - generaattorissa liikkuvan väliaineen mekaaninen energia muunnetaan suoraan sähköenergiaksi. Tällaisten välineiden liikettä kuvaa magneettinen hydrodynamiikka ( MHD ), joka antoi laitteelle nimen .

Kuinka se toimii

MHD-generaattorin, kuten tavanomaisen konegeneraattorin , toimintaperiaate perustuu sähkömagneettisen induktion ilmiöön, eli virran esiintymiseen johtimessa, joka ylittää magneettikenttäviivat . Toisin kuin konegeneraattoreissa, MHD-generaattorin johdin on itse työneste .

Työskentelykappale liikkuu magneettikentän poikki, ja magneettikentän vaikutuksesta syntyy vastakkaisiin suuntautuneita vastakkaisten merkkien varauksenkuljettajien virtauksia.

Lorentzin voima vaikuttaa varautuneeseen hiukkaseen .

Seuraavat mediat voivat toimia MHD-generaattorin työkappaleena:

Ensimmäiset MHD-generaattorit käyttivät sähköä johtavia nesteitä (elektrolyyttejä) työnesteenä. Tällä hetkellä käytetään plasmaa, jossa varauksenkantajat ovat pääasiassa vapaita elektroneja ja positiivisia ioneja . Magneettikentän vaikutuksesta varauksenkantajat poikkeavat liikeradalta, jota pitkin kaasu liikkuisi kentän puuttuessa. Tässä tapauksessa voimakkaassa magneettikentässä voi esiintyä Hall -kenttä (katso Hall-ilmiö ) - sähkökenttä, joka muodostuu varautuneiden hiukkasten törmäysten ja siirtymien seurauksena magneettikenttää vastaan ​​kohtisuorassa tasossa.

MHD-pumppu

MHD-generaattoreilla on palautuvuusominaisuus. Kun elektrodeihin kohdistetaan sähköjännite, sähköä johtavaan väliaineeseen vaikuttaa voima, kuten johtimeen, jonka virta on magneettikentässä. Tätä voimaa voidaan käyttää johtavien nesteiden ja kaasujen pumppaamiseen.

Laite

MHD-generaattori koostuu kanavasta , jota pitkin työneste (yleensä plasma ) liikkuu , magneettijärjestelmästä magneettikentän luomiseksi ja elektrodeista , jotka poistavat vastaanotetun energian. Magneetteina voidaan käyttää sähkömagneetteja tai kestomagneetteja sekä muita magneettikentän lähteitä .

Kaasu pystyy johtamaan (katso sähkönjohtavuus ) sähkövirtaa, kun se kuumennetaan noin 10 000 K lämpöionisaatiolämpötilaan . Tämän lämpötilan alentamiseksi 2200-2700 K:iin syötetään alkalimetalleja sisältäviä lisäaineita kuumennettuun kaasuun . Esimerkiksi 1 % kaliumin lisääminen potaskan muodossa mahdollistaa sähkönjohtavuuden kymmenkertaistamisen. Ilman lisäaineita 2200–2700 K lämpötiloissa kaasu on matalalämpöistä plasmaa ja johtaa virtaa huonommin kuin vesi.

Toisin kuin nestemäisellä työnesteellä varustetussa MHD-generaattorissa, jossa sähköä tuotetaan vain muuttamalla osa virtauksen kineettisestä tai potentiaalisesta energiasta vakiolämpötilassa, kaasutyönesteellä varustetuissa MHD-generaattoreissa on periaatteessa kolme tilaa:

Kuvaus MHD-generaattorin toiminnasta:

Luokitus

Luokittelu työn keston mukaan [1] :

MHD-generaattoreiden lämmönlähteitä voivat olla:

Seuraavia voidaan käyttää työkappaleina MHD-generaattoreissa:

Työsyklin tyypin mukaan MHD-generaattorit erotetaan:

Sähkönpoistomenetelmän mukaan MHD-generaattorit erotetaan:

MHD-generaattoreiden kanavien muoto voi olla:

Elektrodien suunnittelun ja kytkentämenetelmän mukaan erotetaan seuraavat MHD-generaattorit:

1970-luvulta lähtien johtavia lineaarisia MHD-generaattoreita on käytetty laajimmin fossiilisten polttoaineiden palamistuotteissa alkalimetallilisäaineilla, jotka toimivat avoimessa kierrossa.

Keksintöhistoria

Ajatuksen nestejohtimen käytöstä ehdotti ensimmäisen kerran Michael Faraday vuonna 1832. Hän osoitti, että liikkuvassa johtimessa syntyy magneettikentän vaikutuksesta sähkövirtaa . Vuonna 1832 Faraday ja hänen avustajansa laskivat kaksi kuparilevyä Waterloon sillalta Thames - joen veteen . Levyt liitettiin johtimilla galvanometriin . Odotettiin, että lännestä itään virtaavan joen vedet - liikkuva johdin ja Maan magneettikenttä - synnyttäisivät sähkövirran, joka tallennettaisiin galvanometrillä. Kokemus epäonnistui. Mahdollisia syitä epäonnistumiseen ovat veden alhainen sähkönjohtavuus ja Maan magneettikentän pieni voimakkuus .

Myöhemmin, vuonna 1851, englantilainen tiedemies Wollaston onnistui mittaamaan Englannin kanaalin hyökyaaltojen aiheuttaman EMF :n , mutta tarvittavan tiedon puute nesteiden ja kaasujen sähköisistä ominaisuuksista esti kuvattujen vaikutusten käyttöä käytännössä pitkään. aika.

Seuraavina vuosina tutkimus kehittyi kahteen pääsuuntaan:

Vaikka ensimmäiset patentit sähkön tuottamiseen ionisoitua energiakaasua käyttävällä MHD-generaattorilla myönnettiin jo 1907-1910, niissä kuvatut suunnitelmat olivat käytännössä toteutumattomia. Tuolloin ei ollut olemassa materiaaleja, jotka kykenisivät toimimaan kaasumaisessa väliaineessa lämpötilassa 2500–3000 °C.

MHD - generaattoreiden kehittäminen tuli mahdolliseksi sen jälkeen , kun magnetohydrodynamiikan tutkimukseen oli luotu teoreettinen ja kokeellinen perusta . Ruotsalainen tiedemies Hannes Alfven löysi MHD:n peruslait vuonna 1944 tutkiessaan kosmisen plasman (tähtienvälistä tilaa täyttävä plasma) käyttäytymistä magneettikentässä.

Ensimmäinen toimiva MHD-generaattori rakennettiin vasta 1950-luvulla johtuen magnetohydrodynamiikan ja plasmafysiikan teorian kehityksestä , korkean lämpötilan fysiikan alan tutkimuksesta ja siihen mennessä lämmönkestävien materiaalien luomisesta, joita käytettiin sitten pääasiassa rakettitekniikkaa.

Ensimmäisessä Yhdysvalloissa vuonna 1959 rakennetussa MHD-generaattorissa 3000 K : n lämpötilan plasman lähde oli plasmapoltin, joka toimi argonilla , jossa oli alkalimetallilisäainetta kaasun ionisaatioastetta nostamassa . Generaattorin teho oli 11,5 kW . 1960-luvun puoliväliin mennessä polttotuotteita käyttävien MHD-generaattoreiden teho voitiin nostaa 32 MW :iin (Mark-V, USA).

Neuvostoliitossa ensimmäinen laboratoriolaitos "U-02", joka toimi luonnonpolttoaineella, luotiin vuonna 1964 [2] . Vuonna 1971 käynnistettiin Venäjän tiedeakatemian korkeiden lämpötilojen instituutin pilottiteollisuusvoimalaitos "U-25" , jonka suunnittelukapasiteetti on 20-25 MW .
"U-25" työskenteli maakaasun palamistuotteista lisäämällä K 2 CO 3 :a ionisoivana lisäaineena, virtauslämpötila oli noin 3000 K. Laitteessa oli kaksi piiriä:

"U-25":n sähkölaitteet koostuivat MHD-generaattorista ja invertteriasennuksesta , jotka oli koottu elohopeasytyttimiin . Vuonna 1992 CHPP-28 luotiin U-25-pilottipaikan pohjalta , josta tuli osa Moskovan energiajärjestelmää. Myöhemmin siitä tuli osa CHPP-21 :tä .

Venäjällä rakennettiin teollista MHD-generaattoria Novomitšurinskiin , Ryazanin alueelle, jonne rakennettiin MHDPP erityisesti Ryazanskaya GRES :n viereen . Generaattoria ei kuitenkaan koskaan otettu käyttöön. 1990-luvun alusta lähtien työtä rajoitettiin kokonaan, ja MHD-voimalaitos ilman MHD-generaattoria, joka toimii perinteisenä lämpövoimalaitoksena, useiden muutosten jälkeen liitettiin lopulta Ryazanskaya GRES:iin.

Geofysikaalisen kokeen "Hibiny" aikana 1970-luvun puolivälissä Neuvostoliitossa maankuoren sähköistä luotausta varten pulssimainen MHD-generaattori, jonka enimmäisteho on 100 MW , virta 20 kA ja toiminta-aika noin 10 s käytettiin [1] .

Ominaisuudet

Teho

MHD-generaattorin teho on verrannollinen käyttönesteen johtavuuteen , sen nopeuden neliöön ja magneettikentän voimakkuuden neliöön . Kaasumaisen käyttönesteen lämpötila-alueella 2000-3000 K johtavuus on verrannollinen lämpötilaan 11-13 potenssiin ja kääntäen verrannollinen paineen neliöjuureen.

Virtausnopeus

MHD-generaattorin virtausnopeudet voivat olla laajalla alueella - aliääninopeudesta yliääneen, yli 1900 m/s.

Magneettikentän induktio

Magneettikentän induktio määräytyy magneettien suunnittelun mukaan ja se on rajoitettu noin 2  T :iin teräsmagneeteilla ja 6-8  T : iin suprajohtavissa magneettijärjestelmissä.

Edut ja haitat

Edut:

Virheet:

Yhdessä höyryvoimaloiden kanssa MHD-generaattori mahdollistaa suuria, jopa 500–1000 MW:n kapasiteettia yhdessä yksikössä.

Sovellus

Teoriassa MHD-generaattoreiden teollinen käyttöalue on viisi:

  1. lämpövoimalaitokset, joissa on MHD-generaattori, jotka käyttävät polttoaineen palamistuotteita (avoin kierto); tällaiset asennukset ovat yksinkertaisimpia ja niillä on lähin teollinen käyttömahdollisuus;
  2. ydinvoimalaitokset, joissa MHD-generaattori toimii ydinreaktorissa lämmitetyllä inertillä kaasulla (suljettu sykli); tämän suunnan näkymät riippuvat sellaisten ydinreaktorien kehittämisestä, joiden käyttönesteen lämpötila on yli 2000 K;
  3. neutronittoman syklin lämpöydinvoimalaitokset (esimerkiksi D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV ), joissa on MHD-generaattori korkean lämpötilan plasmalla;
  4. syklit nestemäiseen metalliin perustuvalla MHD-generaattorilla, jotka ovat lupaavia ydinvoimatekniikalle ja suhteellisen pienitehoisille erikoisvoimalaitoksille;
  5. hypersonic lentokonejärjestelmät. (yli 4 M[ tarkenna ] ).

MHD-generaattorilla varustettuja voimalaitoksia voidaan käyttää myös vara- tai varavirtalähteenä voimajärjestelmissä, avaruustekniikan sisäisten sähköjärjestelmien virtalähteenä erilaisille laitteille, jotka vaativat suurta tehoa lyhytaikaisesti (esim. teho tuulitunnelin sähkölämmittimet jne.). P.).

Huolimatta houkuttelevista näkymistä ja tutkimuksen nopeasta kehityksestä MHD-generaattoreiden alalla 1970-luvulla, niihin perustuvat laitteet eivät ole löytäneet laajaa teollista sovellusta. Kompastuskivi on materiaalin puute generaattorin seinämille ja elektrodeille, jotka pystyvät toimimaan nousevissa äärilämpötiloissa melko pitkään [2] .

Toinen ongelma on se, että MHD-generaattorit tuottavat vain tasavirtaa . Näin ollen tarvitaan tehokkaita ja taloudellisia inverttereitä [3] .

Neuvostoliitossa 1980-luvun lopulla lähetetyissä fysiikan koulutusohjelmissa ilmoitettiin, että teollinen MHD-generaattori otettiin käyttöön ja toimi Ryazanin alueella, mikä ei ollut totta - se ei koskaan toiminut. Puhumme Ryazanskaya GRES-24:stä . Asennuksen kehitystyötä tehtiin, mutta kohdattiin varmoja[ mitä? ][ selventää ] ongelmia. Lopulta MHD-generaattorin luominen peruttiin ja laitoksen höyrykattila otettiin käyttöön itsenäisesti vuonna 1984 [4] . Asennukseen sisältyi 500 MW :n tehoinen MHD-osa ja sen jälkeen 300–310 MW : n kaasuturbiinipäällirakenne [5] . Jälkimmäinen valmistui myöhemmin erikseen [4] ja otettiin käyttöön 1. kesäkuuta 2010 [6] .

2000-luvulla rakennetaan ja testataan kokeellisia sukellusveneitä, joissa on magnetohydrodynaaminen propulsiojärjestelmä [7] .

Katso myös

Muistiinpanot

  1. ↑ 1 2 Oleg Mamaev. Kuinka saada sähköä liikkeestä: MHD-generaattorit // Tiede ja elämä . - 2015. - nro 8. - S. 72-80. — ISSN 0028-1263. — URL arkistoitu 4. maaliskuuta 2016 Wayback Machinessa
  2. ↑ 1 2 Konyushaya Yu. P. MHD-generaattorit // Neuvostoliiton tutkijoiden löydöt. - M . : Moskovan työntekijä, 1979.
  3. ↑ Milloin plasmasähkögeneraattorit tulevat todeksi? . "Sähköiset tiedot" . "KM Online" (28. heinäkuuta 2013). Haettu 28. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 24. kesäkuuta 2016.
  4. ↑ 1 2 Berezinets P. A., Doverman G. I., Tereshina G. E., Kryuchkova T. I. Kaasuturbiinin päällysrakenne tehoyksiköstä, jonka teho on 300 MW GRES-24, jossa on kaasuturbiiniyksikkö GTE-110 (pääsemätön linkki) . OAO VTI - CJSC Optsim-K, Moskova. Haettu 28. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 23. kesäkuuta 2016. 
  5. ↑ Ryazanskaya GRESin MHD-asennus . Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL . Haettu 6. heinäkuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 6. tammikuuta 2019.
  6. ↑ Ryazanskaya GRES (pääsemätön linkki) . PJSC Gazprom, OGK-2. Haettu 28. toukokuuta 2016. Arkistoitu alkuperäisestä 28. syyskuuta 2020. 
  7. ↑ Vuonna 2017 Kiinan asevoimat testasivat kokeellista sukellusvenettä ainutlaatuisella magnetohydrodynaamisella voimalaitoksella .

Kirjallisuus

Ashkinazi L. MHD-generaattori // Kvant , 1980. - Nro 11. - P. 2-8.
  Siirry Wikidata-kohteeseen  Sanakirjat ja tietosanakirjat
Bibliografisissa luetteloissa