מחולל מגנטוהידרודינמי: מכשיר, עקרון הפעולה והמטרה

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

לא כל מקורות האנרגיה החלופיים על פני כדור הארץ נחקרו ויושמו בהצלחה עד כה. עם זאת, האנושות מתפתחת באופן פעיל בכיוון זה ומוצאת אפשרויות חדשות. אחד מהם היה להשיג אנרגיה מהאלקטרוליט, שנמצא בשדה מגנטי.

אפקט מעוצב ומקור השם

העבודות הראשונות בתחום זה מיוחסות לפאראדיי, שעבד בתנאי מעבדה כבר ב-1832. הוא חקר את מה שנקרא אפקט מגנטוהידרודינמי, או ליתר דיוק, הוא חיפש כוח מניע אלקטרומגנטי וניסה ליישם אותו בהצלחה. זרם נהר התמזה שימש כמקור אנרגיה. לצד שם האפקט, המתקן קיבל גם את שמו - מחולל מגנטוהידרודינמי.

מכשיר MHD זה ממיר אחד ישירותצורה של אנרגיה לתוך אחרת, כלומר מכנית לחשמלית. התכונות של תהליך כזה ותיאור עקרון פעולתו בכללותו מתוארים בפירוט במגנטו הידרודינמיקה. המחולל עצמו נקרא על שם דיסציפלינה זו.

תיאור פעולת ההשפעה

קודם כל, כדאי להבין מה קורה במהלך פעולת המכשיר. זו הדרך היחידה להבין את העיקרון של המחולל המגנטוהידרודינמי בפעולה. ההשפעה מבוססת על הופעת שדה חשמלי וכמובן זרם חשמלי באלקטרוליט. האחרון מיוצג על ידי מדיות שונות, למשל, מתכת נוזלית, פלזמה (גז) או מים. מכאן נוכל להסיק שעיקרון הפעולה מבוסס על אינדוקציה אלקטרומגנטית, המשתמשת בשדה מגנטי לייצור חשמל.

מסתבר שהמוליך חייב להצטלב עם קווי הכוח בשדה. זהו, בתורו, תנאי חובה לכך שזרימות של יונים עם מטענים הפוכים ביחס לחלקיקים הנעים יתחילו להופיע בתוך המכשיר. כמו כן, חשוב לשים לב להתנהגות קווי השדה. השדה המגנטי שנבנה מהם נע בתוך המוליך עצמו בכיוון ההפוך מזה שבו נמצאים מטעני היונים.

הגדרה והיסטוריה של מחולל MHD

המתקן הוא מכשיר להמרת אנרגיה תרמית לאנרגיה חשמלית. זה מיישם את האמור לעיל במלואוהשפעה. יחד עם זאת, גנרטורים מגנטוהידרודינמיים נחשבו בזמנו לרעיון די חדשני ופורץ דרך, שבניית הדגימות הראשונות שלהם העסיקה את מוחותיהם של מדענים מובילים במאה העשרים. עד מהרה אזל המימון לפרויקטים כאלה מסיבות שאינן ברורות לחלוטין. מתקני הניסוי הראשונים כבר הוקמו, אך השימוש בהם נזנח.

העיצובים הראשונים של גנרטורים מגנטודינמיים תוארו עוד בשנים 1907-910, אולם לא ניתן היה ליצור אותם עקב מספר מאפיינים פיזיים ואדריכליים סותרים. כדוגמה, ניתן לציין את העובדה שטרם נוצרו חומרים שיכולים לתפקד כרגיל בטמפרטורות עבודה של 2500-3000 מעלות צלזיוס בסביבה גזי. הדגם הרוסי היה אמור להופיע ב-MGDES שנבנה במיוחד בעיר נובומצ'ורינסק, שנמצאת באזור ריאזאן בסמוך לתחנת הכוח של מחוז המדינה. הפרויקט בוטל בתחילת שנות ה-90.

איך המכשיר עובד

העיצוב ועיקרון הפעולה של גנרטורים מגנטוהידרודינמיים חוזרים לרוב על אלה של גרסאות מכונות רגילות. הבסיס הוא ההשפעה של אינדוקציה אלקטרומגנטית, כלומר מופיע זרם במוליך. זאת בשל העובדה שהאחרון חוצה את קווי השדה המגנטי בתוך המכשיר. עם זאת, יש הבדל אחד בין גנרטורים למכונה ומחוללי MHD. זה טמון בעובדה כי עבור וריאנטים magnetohydrodynamic כמוהמנצח משמש ישירות את הגוף הפועל עצמו.

הפעולה מבוססת גם על חלקיקים טעונים, המושפעים מכוח לורנץ. התנועה של נוזל העבודה מתרחשת על פני השדה המגנטי. בשל כך, יש זרימות של נושאי מטען בכיוונים מנוגדים בדיוק. בשלב היווצרות, גנרטורים MHD השתמשו בעיקר בנוזלים או אלקטרוליטים מוליכים חשמלית. הם היו הגוף העובד מאוד. וריאציות מודרניות עברו לפלזמה. נושאי המטען של המכונות החדשות הם יונים חיוביים ואלקטרונים חופשיים.

עיצוב של גנרטורים MHD

הצומת הראשון של המכשיר נקרא התעלה שדרכה נע נוזל העבודה. כיום, גנרטורים מגנטוהידרודינמיים משתמשים בעיקר בפלזמה כמדיום העיקרי. הצומת הבא הוא מערכת מגנטים שאחראית על יצירת שדה מגנטי ואלקטרודות להסטת האנרגיה שתתקבל בתהליך העבודה. עם זאת, המקורות עשויים להיות שונים. ניתן להשתמש במערכת גם באלקטרומגנטים וגם במגנטים קבועים.

לאחר מכן, הגז מוליך חשמל ומתחמם עד לטמפרטורת היינון התרמי, שהיא בערך 10,000 קלווין. לאחר מחוון זה חייב להיות מופחת. סרגל הטמפרטורה יורד ל-2, 2-2, 7 אלף קלווין בשל העובדה שתוספים מיוחדים עם מתכות אלקליות מתווספים לסביבת העבודה. אחרת, הפלזמה לא מספיקהרמה יעילה, מכיוון שערך המוליכות החשמלית שלו הופך נמוך בהרבה מזה של אותם מים.

מחזור מכשיר טיפוסי

צמתים אחרים המרכיבים את העיצוב של המחולל המגנטוהידרודינמי יופיעו בצורה הטובה ביותר יחד עם תיאור של התהליכים הפונקציונליים ברצף שבו הם מתרחשים.

1. תא הבעירה מקבל את הדלק שהוטען לתוכו. מוסיפים גם חומרי חמצון ותוספים שונים.
2. הדלק מתחיל לבעור, מה שמאפשר לגז להיווצר כתוצר של בעירה.
3. לאחר מכן, פיית הגנרטור מופעלת. גזים עוברים בו, ולאחר מכן הם מתרחבים, ומהירותם עולה למהירות הקול.
4. הפעולה מגיעה לתא שמעביר שדה מגנטי דרכו. על קירותיו אלקטרודות מיוחדות. כאן נכנסים הגזים בשלב זה של המחזור.
5. אז הגוף הפועל בהשפעת חלקיקים טעונים סוטה מהמסלול העיקרי שלו. הכיוון החדש הוא בדיוק המקום שבו נמצאות האלקטרודות.
6. השלב האחרון. זרם חשמלי נוצר בין האלקטרודות. כאן מסתיים המחזור.

סיווגים עיקריים

ישנן אפשרויות רבות למכשיר המוגמר, אך עקרון הפעולה יהיה כמעט זהה בכל אחת מהן. לדוגמה, אפשר להשיק גנרטור מגנטוהידרודינמי על דלק מוצק כמו מוצרי בעירה מאובנים. גם כמקוראנרגיה, אדי מתכת אלקלית ותערובות דו-פאזיות שלהם עם מתכות נוזליות משמשים. על פי משך הפעולה, גנרטורים MHD מחולקים לטווח ארוך וקצר, והאחרון - לפעימות ונפיץ. מקורות החום כוללים כורים גרעיניים, מחליפי חום ומנועי סילון.

בנוסף, ישנו גם סיווג לפי סוג מחזור העבודה. כאן החלוקה מתרחשת רק לשני סוגים עיקריים. למחוללי מחזור פתוח יש נוזל עבודה מעורבב עם תוספים. תוצרי הבעירה עוברים דרך תא העבודה, שם הם מנקים מזיהומים בתהליך ומשוחררים לאטמוספירה. במחזור סגור, נוזל העבודה נכנס למחליף החום ורק אז נכנס לתא הגנרטור. לאחר מכן, מוצרי הבעירה ממתינים למדחס, אשר משלים את המחזור. לאחר מכן, נוזל העבודה חוזר לשלב הראשון במחליף החום.

תכונות עיקריות

אם השאלה מה מייצר גנרטור magnetohydrodynamic יכולה להיחשב מכוסה במלואה, אז יש להציג את הפרמטרים הטכניים העיקריים של מכשירים כאלה. הראשון שבהם בחשיבותו הוא כנראה כוח. זה פרופורציונלי למוליכות של נוזל העבודה, כמו גם לריבועים של עוצמת השדה המגנטי ומהירותו. אם נוזל העבודה הוא פלזמה עם טמפרטורה של כ-2-3 אלף קלווין, אזי המוליכות פרופורציונלית אליה ב-11-13 מעלות ובפרופורציה הפוך לשורש הריבועי של הלחץ.

עליך לספק גם נתונים על קצב הזרימה ואינדוקציה של שדה מגנטי. הראשון מבין המאפיינים הללו משתנה למדי, החל ממהירויות תת-קוליות ועד למהירויות היפר-קוליות של עד 1900 מטר לשנייה. לגבי השראת השדה המגנטי, זה תלוי בעיצוב המגנטים. אם הם עשויים מפלדה, המוט העליון יוגדר בסביבות 2 T. עבור מערכת המורכבת ממגנטים מוליכים, ערך זה עולה ל-6-8 T.

יישום של מחוללי MHD

שימוש נרחב במכשירים כאלה כיום אינו נצפה. עם זאת, תיאורטית אפשר לבנות תחנות כוח עם גנרטורים מגנטו-הידרודינמיים. ישנן שלוש וריאציות חוקיות בסך הכל:

1. תחנות כוח פיוז'ן. הם משתמשים במחזור נטול נויטרונים עם מחולל MHD. נהוג להשתמש בפלזמה בטמפרטורות גבוהות כדלק.
2. תחנות כוח תרמיות. נעשה שימוש בסוג פתוח של מחזור, וההתקנות עצמן די פשוטות מבחינת תכונות העיצוב. אפשרות זו היא שעדיין יש סיכוי לפיתוח.
3. תחנות כוח גרעיניות. נוזל העבודה במקרה זה הוא גז אינרטי. הוא מחומם בכור גרעיני במחזור סגור. יש לו גם סיכויי התפתחות. עם זאת, אפשרות היישום תלויה בהופעתם של כורים גרעיניים עם טמפרטורת נוזל עבודה מעל 2,000 קלווין.

פרספקטיבה של מכשיר

הרלוונטיות של גנרטורים מגנטוהידרודינמיים תלויה במספר גורמים ובעיות עדיין לא פתורות. דוגמה לכך היא יכולתם של מכשירים כאלה לייצר זרם ישר בלבד, מה שאומר שלצורך תחזוקתם יש צורך לתכנן ממירים חזקים דיים ובנוסף חסכוניים.

בעיה גלויה נוספת היא המחסור בחומרים נחוצים שיכולים לעבוד לאורך זמן מספיק בתנאים של חימום דלק לטמפרטורות קיצוניות. אותו דבר חל על האלקטרודות המשמשות במחוללים כאלה.

שימושים אחרים

בנוסף לתפקוד בלב של תחנות כוח, מכשירים אלה מסוגלים לעבוד בתחנות כוח מיוחדות, שיהיו שימושיות מאוד לאנרגיה גרעינית. השימוש בגנרטור מגנטוהידרודינמי מותר גם במערכות מטוסים היפרסוניים, אך עד כה לא נצפתה התקדמות בתחום זה.