Магнітогідродинамічний генератор: пристрій, принцип роботи і призначення

Далеко не всі альтернативні джерела енергії на планеті Земля досі були вивчені і успішно застосовані. Проте людство активно розвивається в даному напрямку і знаходить все нові варіанти. Одним з них стало отримання енергії з електроліту, який знаходиться в магнітному полі.

Закладений ефект і походження назви

Перші праці на цьому терені приписуються ще Фарадею, який працював в лабораторних умовах ще в 1832 році. Він досліджував так званий магнітогідродинамічний ефект, а точніше, шукав електромагнітну рушійну силу і намагався її успішно застосувати. Як джерело енергії використовувалося протягом річки Темза. Разом з назвою ефекту своє найменування отримала і установка-магнітогідродинамічний генератор.

В даному МГД-пристрої відбувається пряме перетворення одного виду енергії в інший, а саме механічної в електричну. Особливості такого процесу і опис принципу його дії в цілому докладно описуються в магнітній гідродинаміці. На честь даної дисципліни і був названий сам генератор.

Опис дії ефекту

В першу чергу слід зрозуміти те, що відбувається під час функціонування пристрою. Тільки так можна усвідомити принцип роботи магнітогідродинамічного генератора в дії. Ефект побудований на виникненні електричного поля і, звичайно ж, електричного струму в електроліті. Останній представляється різними середовищами, наприклад, рідким металом, плазмою (газом) або водою. З цього можна зробити висновок, що в основі принципу дії лежить електромагнітна індукція, що використовує магнітне поле для вироблення електрики.

Виходить так, що провідник повинен перетинатися з силовими лініями поля. Це є, в свою чергу, обов`язковою умовою для того, щоб потоки іонів з протилежними відносно рухомих частинок зарядами почали виникати всередині пристрою. Також важливо відзначити поведінку силових ліній. Побудоване з них магнітне поле рухається всередині самого провідника в протилежну сторону від тієї, де знаходяться заряди іонів.

Визначення та історія генератора МГД

Установка представляє з себе пристрій для перетворення теплової енергії в електричну. У ній повністю застосовується вищеописаний ефект. При цьому магнітогідродинамічні генератори свого часу вважалися досить новаторською і проривною ідеєю, побудова перших зразків яких займало уми провідних вчених двадцятого століття. Незабаром фінансування таких проектів вичерпало себе з не зовсім зрозумілих причин. Вже були зведені перші експериментальні установки, проте на їх використанні був поставлений хрест.

Найперші конструкції магнітодинамічних генераторів описувалися ще в 1907-910 роках, проте вони не могли бути створені в силу ряду суперечать фізичних і архітектурних особливостей. Як приклад можна навести те, що ще не були створені матеріали, які могли б нормально функціонувати при робочих температурах в 2500-3000 градусів за Цельсієм в газовому середовищі. Російська модель повинна була з`явитися в спеціально побудованому МГДЕС в місті Новомичуринську, який розташований в Рязанській області в безпосередній близькості від ГРЕС. Проект був згорнутий на початку 1990-х років.

Як працює пристрій

Конструкція і принцип дії магнітогідродинамічних генераторів здебільшого повторюють такі у звичайних машинних варіантів. В основі знаходиться ефект електромагнітної індукції, а значить, виникає струм в провіднику. Це відбувається за рахунок того, що останній перетинає лінії магнітного поля всередині пристрою. Однак існує і одна відмінність між машинними і МГД-генераторами. Воно полягає в тому, що для магнітогідродинамічних варіантів в якості провідника використовується безпосередньо саме робоче тіло.

В основі дії також знаходяться заряджена частинка, на які діє сила Лоренца. Рух робочого тіла відбувається поперек магнітного поля. Завдяки цьому виникають потоки носіїв зарядів з рівно протилежними напрямками. На етапі становлення в МГД-генераторах застосовувалися переважно електропровідні рідини або електроліти. Саме вони і були тим самим робочим тілом. Сучасні варіації перейшли на плазму. Носія зарядів для нових машин стали позитивні іони і вільні електрони.

Конструкція МГД-генераторів

Перший вузол пристрою називається каналом, по якому рухається робоче тіло. В даний час в магнітогідродинамічних генераторах в якості основного середовища застосовується здебільшого плазма. Наступний вузол представляє з себе систему магнітів, які відповідають за створення магнітного поля і електродів для відведення тієї енергії, яка буде отримана в ході робочого процесу. При цьому джерела можуть бути різними. В системі можна застосовувати як електромагніти, так і постійні магніти.

Далі газ проводить електричний струм і нагрівається до температури термічної іонізації, яка становить приблизно 10 тисяч кельвінів. Після цей показник неодмінно потрібно знизити. Планка температури падає до 2,2-2,7 тисячі кельвінів за рахунок того, що в робоче середовище додаються спеціальні присадки з лужними металами. В іншому випадку плазма не є в достатній мірі ефективною, тому як величина її електропровідності стає значно меншою, ніж у тій же води.

Типовий цикл роботи пристрою

Інші вузли, що складають конструкцію магнітогідродинамічного генератора, найкращий перерахувати разом з описом функціональних процесів в тій послідовності, в якій вони відбуваються.

1. Камера згоряння приймає завантажуване в неї паливо. Також додаються окислювачі і різні присадки.
2. Паливо починає горіти, що дозволяє утворювати газ як продукт згоряння.
3. Далі задіюється сопло генератора. Через нього гази проходять, після чого вони розширюються, а їх швидкість зростає до швидкості звуку.
4. Дія доходить до камери, що пропускає через себе магнітне поле. На її стінках знаходяться спеціальні електроди. Саме сюди надходять гази на даному етапі циклу.
5. Потім робоче тіло під впливом заряджених частинок відхиляється від своєї первинної траєкторії. Новий напрямок знаходиться в точності там, де розташовуються електроди.
6. Завершальний етап. Відбувається утворення електричного струму між електродами. На це цикл закінчується.

Основні класифікації

Існує безліч варіантів виконання готового пристрою, проте принцип роботи буде фактично однаковим в будь-якому з них. Наприклад, можливий запуск магнітогідродинамічного генератора на твердому паливі на зразок продуктів згоряння копалин. Також в якості джерела енергії застосовуються пари лужних металів і їх двофазні суміші з рідкими металами. За тривалістю роботи МГД-генератори діляться на тривалі і короткочасні, а останні-на імпульсні і вибухові. З джерел тепла можна назвати ядерні реактори, Теплообмінні пристрої та реактивні двигуни.

Крім того, є також класифікація за типом робочого циклу. Тут підрозділ відбувається лише на два основних типу. Генератори з відкритим циклом мають робоче тіло, змішане з присадками. Продукти згоряння йдуть через робочу камеру, де вони в процесі очищаються від домішок і викидаються в атмосферу. У замкнутому циклі робоче тіло потрапляє в теплообмінник і лише після цього надходить в камеру генератора. Далі продукти згоряння чекає компресор, який і закінчує цикл. Після цього робоче тіло повертається на перший етап в теплообмінник.

Головні характеристики

Якщо питання про те, що виробляє магнітогідродинамічний генератор можна вважати в повній мірі освітленим, то слід представити основні технічні параметри подібних пристроїв. Першим з них за значимістю, ймовірно, йде потужність. Вона пропорційна провідності робочого тіла, а також квадратам напруженості магнітного поля і його швидкості. Якщо робоче тіло вдає із себе плазму з температурою близько 2-3 тисяч кельвінів, то провідність пропорційна їй в 11-13 ступеня і обернено пропорційна квадратному кореню з тиску.

Також слід навести дані про швидкість потоку і індукції магнітного поля. Перша з цих характеристик варіюється в досить великих межах, починаючи від дозвукових швидкостей і закінчуючи гіперзвуковими аж до 1900 метрів в секунду. Що ж стосується індукції магнітного поля, то вона залежить від конструкції магнітів. Якщо вони зроблені зі сталі, то верхня планка встановиться на позначці в 2 Тл. Для системи, яка складається з надпровідних магнітів, це значення виростає до 6-8 Тл.

Застосування МГД-генераторів

Широкого використання таких пристроїв сьогодні спостерігати не доводиться. Проте теоретично існує можливість будувати електростанції з магнітогідродинамічними генераторами. Всього є три допустимих варіації:

1. Термоядерні електростанції. У них застосовується безнейтронний цикл з МГД-генератором. В якості палива прийнято використовувати плазму на високих температурах.
2. Теплові електростанції. Використовується відкритий тип циклу, а самі установки за конструктивними особливостями є досить простими. Саме цей варіант все ще має перспективи до розвитку.
3. Атомна електростанція. Робоче тіло в даному випадку-інертний газ. Він нагрівається в ядерному реакторі закритим циклом. Також має перспективи до розвитку. Однак можливість застосування залежить від появи ядерних реакторів з температурою робочого тіла вище 2 тисяч кельвінів.

Перспективність пристроїв

Актуальність магнітогідродинамічних генераторів залежить від цілого ряду факторів і невирішених досі проблем. Як приклад можна привести здатність таких пристроїв до вироблення тільки постійного струму, а значить для їх обслуговування необхідно конструювати досить потужні і притому економічні Інвертори.

Іншою видимою проблемою є відсутність необхідних матеріалів, які могли б пропрацювати досить тривалий час в умовах розігріву палива до позамежних температур. Те ж саме стосується і електродів, що застосовуються в таких генераторах.

Інші варіанти застосування

Крім функціонування в основі електростанцій, дані пристрої здатні працювати в спеціальних енергетичних установках, що було б дуже корисно для атомної енергетики. Застосування магнітогідродинамічного генератора допускається і в гіперзвукових авіаційних системах, проте будь-яких просувань в даній області поки що спостерігати не доводиться.