Magnetohydrodynamisk generator

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 10 februari 2022; kontroller kräver 3 redigeringar .

Magnetohydrodynamisk generator, MHD- generator  - ett kraftverk där energin från en arbetsvätska (flytande eller gasformigt elektriskt ledande medium) som rör sig i ett magnetfält omvandlas direkt till elektrisk energi .

Namnets ursprung

I MHD- generatorn omvandlas det rörliga mediets mekaniska energi direkt till elektrisk energi. Rörelsen hos sådana medier beskrivs av magnetisk hydrodynamik ( MHD ), som gav enheten dess namn .

Hur det fungerar

Funktionsprincipen för en MHD-generator, som en konventionell maskingenerator , är baserad på fenomenet elektromagnetisk induktion , det vill säga på förekomsten av ström i en ledare som korsar magnetfältlinjer . Till skillnad från maskingeneratorer är ledaren i MHD-generatorn själva arbetsvätskan .

Arbetskroppen rör sig över magnetfältet och under magnetfältets verkan uppstår motsatt riktade flöden av laddningsbärare med motsatta tecken.

Lorentzkraften verkar på en laddad partikel .

Följande media kan fungera som arbetskroppen för MHD-generatorn:

De första MHD-generatorerna använde elektriskt ledande vätskor (elektrolyter) som arbetsvätska. För närvarande används plasma, där laddningsbärare huvudsakligen är fria elektroner och positiva joner . Under påverkan av ett magnetfält avviker laddningsbärare från den bana längs vilken gasen skulle röra sig i frånvaro av ett fält. I det här fallet, i ett starkt magnetfält, kan ett Hall -fält uppstå (se Hall-effekten ) - ett elektriskt fält som bildas till följd av kollisioner och förskjutningar av laddade partiklar i ett plan vinkelrätt mot magnetfältet.

MHD pump

MHD-generatorer har reversibilitetsegenskapen. När en elektrisk spänning appliceras på elektroderna kommer en kraft att verka på det elektriskt ledande mediet, som på en ledare med ström i ett magnetfält. Denna kraft kan användas för att pumpa ledande vätskor och gaser.

Enhet

En MHD-generator består av en kanal längs vilken arbetsvätskan (vanligtvis plasma ) rör sig , ett system av magneter för att skapa ett magnetfält och elektroder som tar bort den mottagna energin. Elektromagneter eller permanentmagneter , såväl som andra magnetfältkällor, kan användas som magneter .

En gas kan leda (se elektrisk ledningsförmåga ) en elektrisk ström när den värms upp till en termisk joniseringstemperatur på cirka 10 000 K. För att sänka denna temperatur till 2200-2700 K, införs tillsatser som innehåller alkalimetaller i den uppvärmda gasen . Till exempel gör införandet av 1% kalium i form av kaliumklorid det möjligt att öka den elektriska ledningsförmågan tio gånger. Utan tillsatser, vid temperaturer på 2200–2700 K, är gasen ett lågtemperaturplasma och leder ström sämre än vatten.

Till skillnad från en MHD-generator med en flytande arbetsvätska, där elektricitet genereras endast genom att omvandla en del av den kinetiska eller potentiella energin hos flödet vid en konstant temperatur, är tre lägen i grunden möjliga i MHD-generatorer med en gasarbetsvätska:

Beskrivning av MHD-generatorns funktion:

Klassificering

Klassificering efter arbetets varaktighet [1] :

Värmekällor i MHD-generatorer kan vara:

Följande kan användas som arbetskroppar i MHD-generatorer:

Beroende på typen av arbetscykel särskiljs MHD-generatorer:

Enligt metoden för borttagning av elektricitet särskiljs MHD-generatorer:

Formen på kanalerna i MHD-generatorer kan vara:

Enligt designen och metoden för att ansluta elektroderna särskiljs följande MHD-generatorer:

Sedan 1970-talet har ledande linjära MHD-generatorer använts mest på förbränningsprodukter av fossila bränslen med alkalimetalltillsatser, som arbetar i en öppen cykel.

Uppfinningshistorik

Idén att använda en vätskeledare föreslogs först av Michael Faraday 1832. Han bevisade att i en rörlig ledare , under inverkan av ett magnetfält , uppstår en elektrisk ström . År 1832 sänkte Faraday och hans assistenter två kopparplåtar från Waterloo-bron i vattnet i Themsen . Plåtarna kopplades med ledningar till en galvanometer . Man förväntade sig att vattnet i en flod som flyter från väst till öst - en rörlig ledare och jordens magnetfält - skulle skapa en elektrisk ström, som skulle registreras av en galvanometer. Upplevelsen misslyckades. Möjliga orsaker till felet inkluderar vattens låga elektriska ledningsförmåga och den låga magnituden på jordens magnetfält .

Senare, 1851, lyckades den engelske forskaren Wollaston mäta EMF som induceras av flodvågor i Engelska kanalen , men bristen på nödvändig kunskap om de elektriska egenskaperna hos vätskor och gaser hindrade användningen av de beskrivna effekterna i praktiken under en lång tid. tid.

Under de följande åren utvecklades forskningen i två huvudriktningar:

Även om de första patenten för att generera elektricitet av en MHD-generator med joniserad energigas utfärdades redan 1907-1910, var de konstruktioner som beskrivs i dem i praktiken orealiserbara. På den tiden fanns det inga material som kunde arbeta i ett gasformigt medium vid en temperatur på 2500–3000 °C.

Utvecklingen av MHD-generatorer blev möjlig efter skapandet av en teoretisk och experimentell bas för studiet av magnetohydrodynamik . De grundläggande lagarna för MHD upptäcktes 1944 av den svenske forskaren Hannes Alfven när han studerade beteendet hos kosmisk plasma (plasma som fyller det interstellära rummet) i ett magnetfält.

Den första fungerande MHD-generatorn byggdes först på 1950-talet på grund av utvecklingen av teorin om magnetohydrodynamik och plasmafysik , forskning inom högtemperaturfysik och skapandet vid den tiden av värmebeständiga material, som då främst användes i raketteknik.

Plasmakällan med en temperatur på 3000 K i den första MHD-generatorn som byggdes i USA 1959 var en plasmabrännare som arbetade på argon med en alkalimetalltillsats för att öka graden av gasjonisering . Generatoreffekten var 11,5 kW . I mitten av 1960-talet kunde effekten hos MHD-generatorer som använder förbränningsprodukter ökas till 32 MW (Mark-V, USA).

I Sovjetunionen skapades den första laboratorieinstallationen "U-02", som drevs på naturligt bränsle, 1964 [2] . 1971 lanserades det industriella pilotkraftverket "U-25" från Institutet för höga temperaturer vid den ryska vetenskapsakademin , med en designkapacitet på 20-25 MW .
"U-25" arbetade på förbränningsprodukterna av naturgas med tillsats av K 2 CO 3 som en joniserande tillsats, flödestemperaturen var cirka 3000 K. Installationen hade två kretsar:

Den elektriska utrustningen på "U-25" bestod av en MHD-generator och en växelriktarinstallation , monterade på kvicksilvertändningsapparater . 1992 skapades CHPP-28 på basis av pilotplatsen U-25 , som blev en del av Moskvas energisystem. Senare blev det en del av CHPP-21 .

I Ryssland byggdes en industriell MHD-generator i Novomichurinsk , Ryazan Oblast, där en MHDPP specialbyggdes bredvid Ryazanskaya GRES . Generatorn togs dock aldrig i drift. Från början av 1990-talet inskränktes arbetet helt och MHD-kraftverket, utan MHD-generator, som fungerade som ett konventionellt värmekraftverk, efter flera omvandlingar, kopplades så småningom till Ryazanskaya GRES.

Under det geofysiska experimentet "Khibiny" i mitten av 1970-talet i Sovjetunionen för elektriskt sondering av jordskorpan, en pulsad MHD-generator med en maximal effekt på 100 MW , en ström på 20 kA och en drifttid på cirka 10 s användes [1] .

Egenskaper

Power

MHD-generatorns effekt är proportionell mot arbetsvätskans konduktivitet , kvadraten på dess hastighet och kvadraten på magnetfältets styrka . För en gasformig arbetsvätska i temperaturområdet 2000-3000 K är konduktiviteten proportionell mot temperaturen till 11:e-13:e potensen och omvänt proportionell mot kvadratroten av trycket.

Flödeshastighet

Flödeshastigheterna i MHD-generatorn kan ligga inom ett brett område - från subljud till hypersonisk, över 1900 m/s.

Magnetfältsinduktion

Magnetfältsinduktionen bestäms av magneternas utformning och är begränsad till ca 2  T för magneter med stål och upp till 6-8  T för supraledande magnetiska system.

Fördelar och nackdelar

Fördelar:

Brister:

I kombination med ångkraftverk gör MHD-generatorn det möjligt att få stora kapaciteter i en enhet, upp till 500–1000 MW.

Applikation

Teoretiskt finns det fem områden för industriell tillämpning av MHD-generatorer:

  1. termiska kraftverk med en MHD-generator som använder bränsleförbränningsprodukter (öppen cykel); sådana installationer är de enklaste och har den närmaste utsikten för industriell tillämpning;
  2. kärnkraftverk med en MHD-generator som körs på en inert gas uppvärmd i en kärnreaktor (sluten cykel); utsikterna för denna riktning beror på utvecklingen av kärnreaktorer med en arbetsvätsketemperatur över 2000 K;
  3. termonukleära kraftverk av en neutronlös cykel (till exempel D + 3 He → p + 4 He + 18,353 MeV ) med en MHD-generator på högtemperaturplasma;
  4. cykler med en MHD-generator baserad på flytande metall, som är lovande för kärnkraftsteknik och för speciella kraftverk med relativt liten effekt;
  5. hypersoniska flygplanssystem. (över 4 M[ förfina ] ).

Kraftverk med en MHD-generator kan också användas som reserv- eller nödkraftskällor i kraftsystem, för inbyggda kraftsystem inom rymdteknik, som kraftkällor för olika enheter som kräver hög effekt under korta tidsperioder (till exempel för att kraftvindtunnel elektriska värmare , etc.). P.).

Trots de frestande utsikterna och den snabba utvecklingen av forskning inom området för MHD-generatorer på 1970-talet, har enheter baserade på dem inte hittat någon bred industriell tillämpning. Stumpelstenen är bristen på material för generatorns väggar och elektroder som kan arbeta vid framväxande extrema temperaturer under ganska lång tid [2] .

Ett annat problem är att MHD-generatorer bara levererar likström . Därför behövs kraftfulla och ekonomiska växelriktare [3] .

I tv-utbildningsprogram i fysik, som sändes i Sovjetunionen i slutet av 1980-talet, rapporterades det att en industriell MHD-generator lanserades och fungerade i Ryazan-regionen, vilket inte var sant - det fungerade aldrig. Vi pratar om Ryazanskaya GRES-24 . Utvecklingen av installationen genomfördes, men inför vissa[ vad? ][ förtydliga ] problem. Till slut avbröts skapandet av MHD-generatorn, och ångpannan i installationen togs i drift autonomt 1984 [4] . Installationen försåg en MHD-del med en kapacitet på 500 MW och en gasturbinöverbyggnad med en kapacitet på 300–310 MW efter den [5] . Den senare färdigställdes därefter separat [4] och togs i drift den 1 juni 2010 [6] .

På 2000-talet byggs och testas experimentella ubåtar med ett magnetohydrodynamiskt framdrivningssystem [7] .

Se även

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 Oleg Mamaev. Hur man gör elektricitet ur rörelse: MHD-generatorer // Vetenskap och liv . - 2015. - Nr 8. - S. 72-80. — ISSN 0028-1263. — URL Arkiverad 4 mars 2016 på Wayback Machine
  2. ↑ 1 2 Konyushaya Yu. P. MHD-generatorer // Upptäcker av sovjetiska forskare. - M . : Moskovsky-arbetare, 1979.
  3. ↑ När blir plasmaelektricitetsgeneratorer verklighet? . "Elektrisk information" . "KM Online" (28 juli 2013). Hämtad 28 maj 2016. Arkiverad från originalet 24 juni 2016.
  4. ↑ 1 2 Berezinets P. A., Doverman G. I., Tereshina G. E., Kryuchkova T. I. Gasturbinöverbyggnad av en kraftenhet med en kapacitet på 300 MW GRES-24 med en gasturbinenhet GTE-110 (otillgänglig länk) . OAO VTI - CJSC Optsim-K, Moskva. Hämtad 28 maj 2016. Arkiverad från originalet 23 juni 2016. 
  5. ↑ MHD-installation av Ryazanskaya GRES . Encyclopedia of Mechanical Engineering XXL . Hämtad 6 juli 2020. Arkiverad från originalet 6 januari 2019.
  6. ↑ Ryazanskaya GRES (otillgänglig länk) . PJSC Gazprom, OGK-2. Hämtad 28 maj 2016. Arkiverad från originalet 28 september 2020. 
  7. ↑ Under 2017 testade Kinas väpnade styrkor en experimentell ubåt med ett unikt magnetohydrodynamiskt kraftverk av egen design Arkiverad kopia av 4 maj 2022 på Wayback Machine // PopMech , 04/09/2022

Litteratur

Ashkinazi L. MHD generator // Kvant , 1980. - Nr 11. - P. 2-8.
  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
I bibliografiska kataloger