Magnetohydrodynamisk generator

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 10. februar 2022; checks kræver 3 redigeringer .

Magnetohydrodynamisk generator, MHD - generator  - et kraftværk, hvor energien fra en arbejdsvæske (flydende eller gasformigt elektrisk ledende medium), der bevæger sig i et magnetfelt, omdannes direkte til elektrisk energi .

Navnets oprindelse

I MHD -generatoren omdannes den mekaniske energi af det bevægelige medium direkte til elektrisk energi. Bevægelsen af ​​sådanne medier er beskrevet af magnetisk hydrodynamik ( MHD ), som gav enheden sit navn .

Sådan virker det

Funktionsprincippet for en MHD-generator, som en konventionel maskingenerator , er baseret på fænomenet elektromagnetisk induktion , det vil sige på forekomsten af ​​strøm i en leder, der krydser magnetiske feltlinjer . I modsætning til maskingeneratorer er lederen i MHD-generatoren selve arbejdsvæsken .

Arbejdslegemet bevæger sig hen over magnetfeltet, og under påvirkning af magnetfeltet opstår modsat rettede strømme af ladningsbærere med modsatte fortegn.

Lorentz-kraften virker på en ladet partikel .

Følgende medier kan fungere som MHD-generatorens arbejdslegeme:

De første MHD-generatorer brugte elektrisk ledende væsker (elektrolytter) som arbejdsvæske. I øjeblikket bruges plasma, hvor ladningsbærere hovedsageligt er frie elektroner og positive ioner . Under påvirkning af et magnetfelt afviger ladningsbærere fra den bane, langs hvilken gassen ville bevæge sig i fravær af et felt. I dette tilfælde kan der i et stærkt magnetfelt opstå et Hall -felt (se Hall-effekten ) - et elektrisk felt dannet som følge af kollisioner og forskydninger af ladede partikler i et plan vinkelret på magnetfeltet.

MHD pumpe

MHD-generatorer har reversibilitetsegenskaben. Når en elektrisk spænding påføres elektroderne, vil en kraft virke på det elektrisk ledende medium, som på en leder med strøm i et magnetfelt. Denne kraft kan bruges til at pumpe ledende væsker og gasser.

Enhed

En MHD-generator består af en kanal, langs hvilken arbejdsvæsken (normalt plasma ) bevæger sig , et system af magneter til at skabe et magnetfelt og elektroder , der fjerner den modtagne energi. Elektromagneter eller permanente magneter , såvel som andre kilder til magnetfelt, kan bruges som magneter .

En gas er i stand til at lede (se elektrisk ledningsevne ) en elektrisk strøm, når den opvarmes til en termisk ioniseringstemperatur på omkring 10.000 K. For at reducere denne temperatur til 2200-2700 K indføres tilsætningsstoffer indeholdende alkalimetaller i den opvarmede gas . For eksempel gør introduktionen af ​​1% kalium i form af kaliumchlorid det muligt at øge den elektriske ledningsevne tidoblet. Uden tilsætningsstoffer er gassen ved temperaturer på 2200-2700 K et lavtemperaturplasma og leder strøm dårligere end vand.

I modsætning til en MHD-generator med en flydende arbejdsvæske, hvor elektricitet kun genereres ved at konvertere en del af strømmens kinetiske eller potentielle energi ved en konstant temperatur, er tre tilstande grundlæggende mulige i MHD-generatorer med en gasarbejdsvæske:

Beskrivelse af driften af ​​MHD-generatoren:

Klassifikation

Klassificering efter arbejdets varighed [1] :

Varmekilder i MHD-generatorer kan være:

Følgende kan bruges som arbejdslegemer i MHD-generatorer:

I henhold til typen af ​​arbejdscyklus skelnes MHD-generatorer:

I henhold til metoden til fjernelse af elektricitet skelnes MHD-generatorer:

Formen af ​​kanalerne i MHD-generatorer kan være:

I henhold til designet og metoden til at forbinde elektroderne skelnes følgende MHD-generatorer:

Siden 1970'erne har ledende lineære MHD-generatorer været mest udbredt på forbrændingsprodukter af fossile brændstoffer med alkalimetaladditiver, der fungerer i en åben cyklus.

Opfindelseshistorie

Ideen om at bruge en væskeleder blev først foreslået af Michael Faraday i 1832. Han beviste, at i en bevægelig leder , under påvirkning af et magnetfelt , opstår en elektrisk strøm . I 1832 sænkede Faraday og hans assistenter to kobberplader fra Waterloo-broen ned i vandet i Themsen . Pladerne var forbundet med ledninger til et galvanometer . Det var forventet, at vandet i en flod, der strømmer fra vest til øst - en bevægelig leder og Jordens magnetfelt - ville skabe en elektrisk strøm, som ville blive registreret af et galvanometer. Oplevelsen mislykkedes. Mulige årsager til fejlen omfatter vandets lave elektriske ledningsevne og den lave størrelse af Jordens magnetfelt .

Senere, i 1851, lykkedes det den engelske videnskabsmand Wollaston at måle EMF induceret af tidevandsbølger i Den Engelske Kanal , men manglen på nødvendig viden om de elektriske egenskaber af væsker og gasser hindrede brugen af ​​de beskrevne effekter i praksis i lang tid. tid.

I de efterfølgende år udviklede forskningen sig i to hovedretninger:

Selvom de første patenter til at generere elektricitet ved en MHD-generator ved hjælp af ioniseret energigas blev udstedt så tidligt som 1907-1910, var de designs, der er beskrevet i dem, urealiserbare i praksis. På det tidspunkt var der ingen materialer, der kunne fungere i et gasformigt medium ved en temperatur på 2500-3000 °C.

Udviklingen af ​​MHD-generatorer blev mulig efter skabelsen af ​​en teoretisk og eksperimentel base for studiet af magnetohydrodynamik . De grundlæggende love for MHD blev opdaget i 1944 af den svenske videnskabsmand Hannes Alfven, mens han studerede adfærden af ​​kosmisk plasma (plasma, der fylder det interstellare rum) i et magnetfelt.

Den første fungerende MHD-generator blev først bygget i 1950'erne på grund af udviklingen af ​​teorien om magnetohydrodynamik og plasmafysik , forskning inden for højtemperaturfysik og skabelsen på det tidspunkt af varmebestandige materialer, som dengang primært blev brugt i raketteknologi.

Plasmakilden med en temperatur på 3000 K i den første MHD-generator bygget i USA i 1959 var en plasmabrænder , der opererede på argon med et alkalimetaladditiv for at øge graden af ​​gasionisering . Generatoreffekten var 11,5 kW . I midten af ​​1960'erne kunne effekten af ​​MHD-generatorer, der anvender forbrændingsprodukter, øges til 32 MW (Mark-V, USA).

I USSR blev den første laboratorieinstallation "U-02", der drev på naturligt brændstof, oprettet i 1964 [2] . I 1971 blev pilot-industrielt kraftværk "U-25" fra Institut for Høje Temperaturer ved Det Russiske Videnskabsakademi lanceret med en designkapacitet på 20-25 MW .
"U-25" arbejdede på forbrændingsprodukterne af naturgas med tilsætning af K 2 CO 3 som et ioniserende additiv, fremløbstemperaturen var omkring 3000 K. Installationen havde to kredsløb:

Det elektriske udstyr på "U-25" bestod af en MHD-generator og en inverterinstallation , samlet på kviksølvtændere . I 1992 blev CHPP-28 oprettet på grundlag af U-25-pilotstedet , som blev en del af Moskvas energisystem. Senere blev det en del af CHPP-21 .

I Rusland blev der bygget en industriel MHD-generator i Novomichurinsk , Ryazan Oblast, hvor en MHDPP blev bygget specielt ved siden af ​​Ryazanskaya GRES . Generatoren blev dog aldrig sat i drift. Fra begyndelsen af ​​1990'erne blev arbejdet fuldstændigt indskrænket, og MHD-kraftværket, uden en MHD-generator, der fungerede som et konventionelt termisk kraftværk, blev efter flere transformationer til sidst knyttet til Ryazanskaya GRES.

I løbet af det geofysiske eksperiment "Khibiny" i midten af ​​1970'erne i USSR til elektrisk sondering af jordskorpen, en pulserende MHD-generator med en maksimal effekt på 100 MW , en strøm på 20 kA og en driftstid på omkring 10 s blev brugt [1] .

Karakteristika

Power

MHD-generatorens effekt er proportional med arbejdsvæskens ledningsevne , kvadratet på dens hastighed og kvadratet af magnetfeltstyrken . For en gasformig arbejdsfluid i temperaturområdet 2000-3000 K er ledningsevnen proportional med temperaturen til 11.-13. potens og omvendt proportional med kvadratroden af ​​trykket.

Flowhastighed

Strømningshastighederne i MHD-generatoren kan være i et bredt område - fra subsonisk til hypersonisk, over 1900 m/s.

Magnetisk feltinduktion

Magnetfeltinduktionen bestemmes af magneternes design og er begrænset til omkring 2  T for magneter med stål og op til 6-8  T for superledende magnetiske systemer.

Fordele og ulemper

Fordele:

Fejl:

I kombination med dampkraftværker gør MHD-generatoren det muligt at opnå store kapaciteter i én enhed, op til 500–1000 MW.

Ansøgning

Teoretisk set er der fem områder for industriel anvendelse af MHD-generatorer:

  1. termiske kraftværker med en MHD-generator, der bruger brændstofforbrændingsprodukter (åben cyklus); sådanne installationer er de enkleste og har den nærmeste udsigt til industriel anvendelse;
  2. atomkraftværker med en MHD-generator, der kører på en inert gas opvarmet i en atomreaktor (lukket kredsløb); udsigterne for denne retning afhænger af udviklingen af ​​atomreaktorer med en arbejdsvæsketemperatur over 2000 K;
  3. termonukleare kraftværker med en neutronfri cyklus (for eksempel D + 3 He → p + 4 He + 18.353 MeV ) med en MHD-generator på højtemperaturplasma;
  4. cykler med en MHD-generator baseret på flydende metal, som er lovende til atomkraftteknik og til specielle kraftværker med relativt lille effekt;
  5. hypersoniske flysystemer. (over 4 M[ finish ] ).

Kraftværker med en MHD-generator kan også bruges som backup- eller nødstrømkilder i strømsystemer, til indbyggede strømsystemer inden for rumteknologi, som strømkilder til forskellige enheder, der kræver høj effekt i korte perioder (f.eks. elektriske vindtunnelvarmere osv.). P.).

På trods af de fristende udsigter og den hurtige udvikling af forskning inden for MHD-generatorer i 1970'erne, har enheder baseret på dem ikke fundet bred industriel anvendelse. Anstødsstenen er manglen på materialer til generatorens vægge og elektroder, der er i stand til at fungere ved nye ekstreme temperaturer i ret lang tid [2] .

Et andet problem er, at MHD-generatorer kun leverer jævnstrøm . Derfor er der brug for kraftige og økonomiske invertere [3] .

I tv-uddannelsesprogrammer i fysik, der blev sendt i USSR i slutningen af ​​1980'erne, blev det rapporteret, at en industriel MHD-generator blev lanceret og fungerede i Ryazan-regionen, hvilket ikke var sandt - det virkede aldrig. Vi taler om Ryazanskaya GRES-24 . Udviklingen af ​​installationen blev gennemført, men konfronteret med visse[ hvad? ][ afklare ] problemer. I sidste ende blev oprettelsen af ​​MHD-generatoren annulleret, og installationens dampkedel blev sat i drift autonomt i 1984 [4] . Installationen sørgede for en MHD-del med en kapacitet på 500 MW og en gasturbine-overbygning med en kapacitet på 300-310 MW efter den [5] . Sidstnævnte blev efterfølgende afsluttet separat [4] og sat i drift den 1. juni 2010 [6] .

I det 21. århundrede bygges og testes eksperimentelle ubåde med et magnetohydrodynamisk fremdriftssystem [7] .

Se også

Noter

  1. ↑ 1 2 Oleg Mamaev. Sådan får du strøm ud af bevægelse: MHD-generatorer // Videnskab og liv . - 2015. - Nr. 8. - S. 72-80. — ISSN 0028-1263. — URL Arkiveret 4. marts 2016 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Konyushaya Yu. P. MHD-generatorer // Opdagelser af sovjetiske videnskabsmænd. - M . : Moskovsky-arbejder, 1979.
  3. ↑ Hvornår bliver plasmaelektricitetsgeneratorer en realitet? . "Elektrisk info" . "KM Online" (28. juli 2013). Hentet 28. maj 2016. Arkiveret fra originalen 24. juni 2016.
  4. ↑ 1 2 Berezinets P. A., Doverman G. I., Tereshina G. E., Kryuchkova T. I. Gasturbineoverbygning af en kraftenhed med en kapacitet på 300 MW GRES-24 med en gasturbineenhed GTE-110 (utilgængelig forbindelse) . OAO VTI - CJSC Optsim-K, Moskva. Hentet 28. maj 2016. Arkiveret fra originalen 23. juni 2016. 
  5. ↑ MHD-installation af Ryazanskaya GRES . Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL . Hentet 6. juli 2020. Arkiveret fra originalen 6. januar 2019.
  6. ↑ Ryazanskaya GRES (utilgængeligt link) . PJSC Gazprom, OGK-2. Hentet 28. maj 2016. Arkiveret fra originalen 28. september 2020. 
  7. ↑ I 2017 testede Kinas væbnede styrker en eksperimentel ubåd med et unikt magnetohydrodynamisk kraftværk efter eget design Arkiveret kopi af 4. maj 2022 på Wayback Machine // PopMech , 04/09/2022

Litteratur

Ashkinazi L. MHD generator // Kvant , 1980. - Nr. 11. - S. 2-8.
  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
I bibliografiske kataloger