Magnetohydrodynamischer Generator: Gerät, Funktionsprinzip und Zweck

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Nicht alle alternativen Energiequellen auf dem Planeten Erde wurden bisher untersucht und erfolgreich angewendet. Dennoch entwickelt sich die Menschheit aktiv in diese Richtung und findet neue Optionen. Eine davon war die Gewinnung von Energie aus dem Elektrolyten, der sich in einem Magnetfeld befindet.

Gest altete Wirkung und Namensherkunft

Die ersten Arbeiten auf diesem Gebiet werden Faraday zugeschrieben, der bereits 1832 unter Laborbedingungen arbeitete. Er untersuchte den sogenannten magnetohydrodynamischen Effekt, oder besser gesagt, er suchte nach einer elektromagnetischen Antriebskraft und versuchte, diese erfolgreich anzuwenden. Als Energiequelle wurde der Strom der Themse genutzt. Neben dem Namen des Effekts erhielt die Anlage auch ihren Namen - ein magnetohydrodynamischer Generator.

Dieses MHD-Gerät wandelt direkt eins umEnergieform in eine andere, nämlich mechanisch in elektrisch. Die Merkmale eines solchen Prozesses und die Beschreibung des Funktionsprinzips insgesamt werden in der Magnetohydrodynamik ausführlich beschrieben. Der Generator selbst wurde nach dieser Disziplin benannt.

Beschreibung der Wirkungsweise

Zuallererst sollten Sie verstehen, was während des Betriebs des Geräts passiert. Nur so lässt sich das Prinzip des magnetohydrodynamischen Generators in Aktion verstehen. Die Wirkung beruht auf dem Auftreten eines elektrischen Feldes und natürlich eines elektrischen Stroms im Elektrolyten. Letzteres wird durch verschiedene Medien repräsentiert, beispielsweise Flüssigmetall, Plasma (Gas) oder Wasser. Daraus können wir schließen, dass das Funktionsprinzip auf elektromagnetischer Induktion basiert, die ein Magnetfeld zur Stromerzeugung nutzt.

Es stellt sich heraus, dass der Leiter die Feldlinien schneiden muss. Dies wiederum ist eine obligatorische Bedingung dafür, dass die Ströme von Ionen mit entgegengesetzten Ladungen relativ zu den sich bewegenden Teilchen beginnen, innerhalb des Geräts zu erscheinen. Es ist auch wichtig, das Verh alten der Feldlinien zu beachten. Das daraus aufgebaute Magnetfeld bewegt sich innerhalb des Leiters selbst in die entgegengesetzte Richtung zu derjenigen, in der sich die Ionenladungen befinden.

Definition und Geschichte des MHD-Generators

Die Anlage ist ein Gerät zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. Es trifft das oben Gesagte vollständig zuWirkung. Gleichzeitig g alten magnetohydrodynamische Generatoren einst als ziemlich innovative und bahnbrechende Idee, deren Bau die ersten Muster davon die Köpfe führender Wissenschaftler des 20. Jahrhunderts beschäftigten. Bald liefen die Gelder für solche Projekte aus nicht ganz geklärten Gründen aus. Erste Versuchsanlagen wurden bereits errichtet, deren Nutzung jedoch aufgegeben.

Die allerersten Konstruktionen magnetodynamischer Generatoren wurden bereits 1907-910 beschrieben, konnten jedoch aufgrund einer Reihe widersprüchlicher physikalischer und architektonischer Merkmale nicht hergestellt werden. Als Beispiel können wir die Tatsache anführen, dass noch keine Materialien geschaffen wurden, die bei Betriebstemperaturen von 2500-3000 Grad Celsius in einer gasförmigen Umgebung normal funktionieren könnten. Das russische Modell sollte in einem speziell gebauten MGDES in der Stadt Nowomitschurinsk erscheinen, die sich in der Region Rjasan in unmittelbarer Nähe des staatlichen Bezirkskraftwerks befindet. Das Projekt wurde Anfang der 1990er Jahre eingestellt.

Wie das Gerät funktioniert

Magnetohydrodynamische Generatoren entsprechen in ihrer Konstruktion und Funktionsweise größtenteils denen gewöhnlicher Maschinenvarianten. Grundlage ist die Wirkung der elektromagnetischen Induktion, was bedeutet, dass im Leiter ein Strom auftritt. Dies liegt daran, dass letzterer die magnetischen Feldlinien im Inneren des Geräts kreuzt. Es gibt jedoch einen Unterschied zwischen Maschinen- und MHD-Generatoren. Sie liegt darin begründet, dass für magnetohydrodynamische Varianten wie zDirigent wird direkt von der Arbeitsstelle selbst verwendet.

Die Wirkung beruht ebenfalls auf geladenen Teilchen, die von der Lorentzkraft beeinflusst werden. Die Bewegung des Arbeitsfluids erfolgt über das Magnetfeld. Dadurch kommt es zu Ladungsträgerflüssen mit genau entgegengesetzten Richtungen. In der Entstehungsphase verwendeten MHD-Generatoren hauptsächlich elektrisch leitfähige Flüssigkeiten oder Elektrolyte. Sie waren die wirklich arbeitende Körperschaft. Moderne Varianten haben auf Plasma umgestellt. Ladungsträger für die neuen Maschinen sind positive Ionen und freie Elektronen.

Design von MHD-Generatoren

Der erste Knoten des Geräts wird als Kanal bezeichnet, durch den sich die Arbeitsflüssigkeit bewegt. Gegenwärtig verwenden magnetohydrodynamische Generatoren hauptsächlich Plasma als Hauptmedium. Der nächste Knoten ist ein System von Magneten, die für die Erzeugung eines Magnetfelds und Elektroden verantwortlich sind, um die Energie abzuleiten, die während des Arbeitsprozesses empfangen wird. Die Quellen können jedoch unterschiedlich sein. Im System können sowohl Elektromagnete als auch Permanentmagnete verwendet werden.

Als nächstes leitet das Gas Strom und erwärmt sich auf die thermische Ionisierungstemperatur, die ungefähr 10.000 Kelvin beträgt. Danach muss dieser Indikator reduziert werden. Der Temperaturbalken sinkt auf 2, 2-2, 7 Tausend Kelvin, da der Arbeitsumgebung spezielle Zusätze mit Alkalimetallen zugesetzt werden. Andernfalls reicht das Plasma nicht ausGrad effektiv, weil der Wert seiner elektrischen Leitfähigkeit viel niedriger wird als der des gleichen Wassers.

Typischer Gerätezyklus

Andere Knoten, die das Design des magnetohydrodynamischen Generators ausmachen, werden am besten zusammen mit einer Beschreibung der funktionellen Prozesse in der Reihenfolge aufgelistet, in der sie auftreten.

1. Die Brennkammer nimmt den darin geladenen Brennstoff auf. Außerdem werden Oxidationsmittel und verschiedene Zusatzstoffe zugesetzt.
2. Der Brennstoff beginnt zu brennen, wodurch Gas als Verbrennungsprodukt entstehen kann.
3. Als nächstes wird die Generatordüse aktiviert. Gase passieren es, danach dehnen sie sich aus und ihre Geschwindigkeit erhöht sich auf Schallgeschwindigkeit.
4. Die Aktion kommt in eine Kammer, die ein Magnetfeld durch sich hindurch leitet. An seinen Wänden befinden sich spezielle Elektroden. Hier kommen die Gase in dieser Phase des Kreislaufs herein.
5. Dann weicht der Arbeitskörper unter dem Einfluss geladener Teilchen von seiner primären Flugbahn ab. Die neue Richtung ist genau dort, wo die Elektroden sind.
6. Die Endphase. Zwischen den Elektroden wird ein elektrischer Strom erzeugt. Hier endet der Kreislauf.

Hauptklassifikationen

Es gibt viele Optionen für das fertige Gerät, aber das Funktionsprinzip ist bei allen praktisch gleich. Beispielsweise ist es möglich, einen magnetohydrodynamischen Generator mit festen Brennstoffen wie fossilen Verbrennungsprodukten zu starten. Auch als QuelleEnergie werden Alkalimetalldämpfe und deren zweiphasige Gemische mit flüssigen Metallen verwendet. Je nach Betriebsdauer werden MHD-Generatoren in Langzeit- und Kurzzeitgeneratoren und letztere in gepulste und explosive Generatoren unterteilt. Zu den Wärmequellen gehören Kernreaktoren, Wärmetauscher und Strahltriebwerke.

Darüber hinaus gibt es noch eine Einteilung nach Art des Arbeitsgangs. Hier erfolgt die Einteilung nur in zwei Haupttypen. Open-Cycle-Generatoren haben eine Arbeitsflüssigkeit, die mit Additiven gemischt ist. Die Verbrennungsprodukte durchlaufen die Arbeitskammer, wo sie im Prozess von Verunreinigungen gereinigt und in die Atmosphäre entlassen werden. In einem geschlossenen Kreislauf gelangt das Arbeitsmedium in den Wärmetauscher und erst dann in die Generatorkammer. Als nächstes warten die Verbrennungsprodukte auf den Kompressor, der den Kreislauf vervollständigt. Danach kehrt das Arbeitsmedium im Wärmetauscher in die erste Stufe zurück.

Hauptfunktionen

Wenn die Frage, was ein magnetohydrodynamischer Generator produziert, als vollständig abgedeckt angesehen werden kann, sollten die wichtigsten technischen Parameter solcher Geräte dargestellt werden. Die erste davon ist wahrscheinlich die Macht. Sie ist proportional zur Leitfähigkeit des Arbeitsmediums sowie zum Quadrat der Magnetfeldstärke und seiner Geschwindigkeit. Wenn das Arbeitsmedium ein Plasma mit einer Temperatur von etwa 2-3 Tausend Kelvin ist, ist die Leitfähigkeit in 11-13 Grad proportional dazu und umgekehrt proportional zur Quadratwurzel des Drucks.

Sie sollten auch Daten über die Durchflussrate und angebenMagnetfeld Induktion. Die erste dieser Eigenschaften variiert ziemlich stark und reicht von Unterschallgeschwindigkeiten bis zu Hyperschallgeschwindigkeiten von bis zu 1900 Metern pro Sekunde. Was die Induktion des Magnetfelds betrifft, so hängt sie von der Konstruktion der Magnete ab. Wenn sie aus Stahl sind, wird der obere Balken auf etwa 2 T eingestellt. Bei einem System aus supraleitenden Magneten steigt dieser Wert auf 6-8 T.

Anwendung von MHD-Generatoren

Eine breite Verwendung solcher Geräte ist heute nicht zu beobachten. Dennoch ist es theoretisch möglich, Kraftwerke mit magnetohydrodynamischen Generatoren zu bauen. Es gibt insgesamt drei gültige Varianten:

1. Fusionskraftwerke. Sie verwenden einen neutronenlosen Zyklus mit einem MHD-Generator. Es ist üblich, Plasma bei hohen Temperaturen als Brennstoff zu verwenden.
2. Wärmekraftwerke. Es wird ein offener Kreislauf verwendet, und die Installationen selbst sind in Bezug auf die Konstruktionsmerkmale recht einfach. Gerade diese Option hat noch Entwicklungsperspektiven.
3. Atomkraftwerke. Das Arbeitsmedium ist in diesem Fall ein Inertgas. Es wird in einem Kernreaktor in einem geschlossenen Kreislauf erhitzt. Es hat auch Entwicklungsperspektiven. Die Möglichkeit der Anwendung hängt jedoch vom Aufkommen von Kernreaktoren mit einer Arbeitsflüssigkeitstemperatur über 2.000 Kelvin ab.

Geräteperspektive

Die Relevanz von magnetohydrodynamischen Generatoren hängt von einer Reihe von Faktoren ab undnoch ungelöste Probleme. Ein Beispiel ist die Fähigkeit solcher Geräte, nur Gleichstrom zu erzeugen, was bedeutet, dass für ihre Wartung ausreichend leistungsstarke und darüber hinaus sparsame Wechselrichter konstruiert werden müssen.

Ein weiteres sichtbares Problem ist der Mangel an notwendigen Materialien, die ausreichend lange unter Bedingungen der Kraftstofferhitzung auf extreme Temperaturen funktionieren könnten. Gleiches gilt für die in solchen Generatoren verwendeten Elektroden.

Andere Verwendungen

Diese Geräte funktionieren nicht nur im Herzen von Kraftwerken, sondern auch in Spezialkraftwerken, was für die Kernenergie sehr nützlich wäre. Der Einsatz eines magnetohydrodynamischen Generators ist auch in Hyperschall-Flugzeugsystemen erlaubt, bisher wurden jedoch keine Fortschritte auf diesem Gebiet beobachtet.