مولد مغناطيسي هيدروديناميكي: الجهاز ، مبدأ التشغيل والغرض

2024 مؤلف: Howard Calhoun | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-17 10:18

لم تتم دراسة جميع مصادر الطاقة البديلة على كوكب الأرض وتطبيقها بنجاح حتى الآن. ومع ذلك ، تتطور البشرية بنشاط في هذا الاتجاه وتجد خيارات جديدة. كان أحدها الحصول على الطاقة من الإلكتروليت الموجود في مجال مغناطيسي.

تأثير مصمم وأصل الاسم

تُنسب الأعمال الأولى في هذا المجال إلى فاراداي ، الذي عمل في ظروف معملية منذ عام 1832. لقد حقق في ما يسمى بالتأثير المغنطيسي الهيدروديناميكي ، أو بالأحرى ، كان يبحث عن قوة دافعة كهرومغناطيسية وحاول تطبيقها بنجاح. تم استخدام تيار نهر التايمز كمصدر للطاقة. إلى جانب اسم التأثير ، تلقى التثبيت أيضًا اسمه - مولد مغناطيسي هيدروديناميكي.

هذا الجهاز MHD يقوم بتحويل واحد مباشرةشكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر ، أي الميكانيكية إلى الكهربائية. يتم وصف ميزات هذه العملية ووصف مبدأ تشغيلها ككل بالتفصيل في الديناميكا المائية المغناطيسية. تم تسمية المولد نفسه بعد هذا الانضباط.

وصف إجراء التأثير

بادئ ذي بدء ، يجب أن تفهم ما يحدث أثناء تشغيل الجهاز. هذه هي الطريقة الوحيدة لفهم مبدأ عمل المولد المغنطيسي الهيدروديناميكي. يعتمد التأثير على ظهور مجال كهربائي وبالطبع تيار كهربائي في الإلكتروليت. يتم تمثيل الأخير بوسائط مختلفة ، على سبيل المثال ، المعدن السائل أو البلازما (الغاز) أو الماء. من هنا نستنتج أن مبدأ التشغيل يقوم على الحث الكهرومغناطيسي الذي يستخدم مجال مغناطيسي لتوليد الكهرباء.

اتضح أن الموصل يجب أن يتقاطع مع خطوط مجال القوة. وهذا بدوره شرط إلزامي لكي تبدأ تدفقات الأيونات ذات الشحنات المعاكسة بالنسبة للجسيمات المتحركة في الظهور داخل الجهاز. من المهم أيضًا ملاحظة سلوك خطوط الحقل. يتحرك المجال المغناطيسي الذي تم إنشاؤه منها داخل الموصل نفسه في الاتجاه المعاكس للاتجاه الذي توجد فيه الشحنات الأيونية.

تعريف وتاريخ مولد MHD

التثبيت عبارة عن جهاز لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة كهربائية. إنه يطبق بشكل كامل ما ورد أعلاهتأثير. في الوقت نفسه ، تم اعتبار المولدات المغناطيسية الديناميكية في وقت ما فكرة مبتكرة ومبتكرة تمامًا ، وقد شغل بناء العينات الأولى منها أذهان كبار العلماء في القرن العشرين. سرعان ما نفد التمويل لمثل هذه المشاريع لأسباب غير واضحة تمامًا. تم بالفعل نصب التركيبات التجريبية الأولى ، ولكن تم التخلي عن استخدامها.

تم وصف التصميمات الأولى للمولدات الديناميكية المغناطيسية في 1907-910 ، ومع ذلك ، لا يمكن إنشاؤها بسبب عدد من السمات الفيزيائية والمعمارية المتناقضة. كمثال ، يمكننا الاستشهاد بحقيقة أن المواد لم يتم إنشاؤها بعد والتي يمكن أن تعمل بشكل طبيعي في درجات حرارة تشغيل تتراوح بين 2500 و 3000 درجة مئوية في بيئة غازية. كان من المفترض أن يظهر النموذج الروسي في MGDES المبنية خصيصًا في مدينة نوفوميتشورينسك ، والتي تقع في منطقة ريازان بالقرب من محطة توليد الكهرباء في الولاية. تم إلغاء المشروع في أوائل التسعينيات.

كيف يعمل الجهاز

تصميم ومبدأ تشغيل المولدات المغناطيسية الديناميكية للجزء الأكبر يكرر تلك الخاصة بمتغيرات الماكينة العادية. الأساس هو تأثير الحث الكهرومغناطيسي ، مما يعني أن التيار يظهر في الموصل. هذا يرجع إلى حقيقة أن الأخير يعبر خطوط المجال المغناطيسي داخل الجهاز. ومع ذلك ، هناك اختلاف واحد بين مولدات الماكينة و MHD. إنه يكمن في حقيقة أن المتغيرات المغنطيسية الديناميكية مثليتم استخدام الموصل مباشرة من قبل الجسم العامل نفسه.

يعتمد الإجراء أيضًا على الجسيمات المشحونة ، والتي تتأثر بقوة لورنتز. تحدث حركة مائع العمل عبر المجال المغناطيسي. نتيجة لهذا ، هناك تدفقات من ناقلات الشحن ذات اتجاهات متعاكسة تمامًا. في مرحلة التكوين ، تستخدم مولدات MHD سوائل أو إلكتروليتات موصلة للكهرباء بشكل أساسي. لقد كانوا هم الهيئة العاملة ذاتها. تحولت الاختلافات الحديثة إلى البلازما. حاملات الشحنة للآلات الجديدة هي الأيونات الموجبة والإلكترونات الحرة.

تصميم مولدات MHD

تسمى العقدة الأولى للجهاز القناة التي يتحرك من خلالها مائع العمل. في الوقت الحاضر ، تستخدم المولدات المغناطيسية الديناميكية بشكل رئيسي البلازما كوسيط رئيسي. العقدة التالية هي نظام مغناطيسي مسؤول عن إنشاء مجال مغناطيسي وأقطاب كهربائية لتحويل الطاقة التي سيتم تلقيها أثناء عملية العمل. ومع ذلك ، قد تكون المصادر مختلفة. يمكن استخدام كل من المغناطيسات الكهربائية والمغناطيس الدائم في النظام.

بعد ذلك ، يقوم الغاز بتوصيل الكهرباء ويسخن حتى درجة حرارة التأين الحراري ، والتي تبلغ حوالي 10000 كلفن. بعد هذا المؤشر يجب أن تخفض. ينخفض شريط درجة الحرارة إلى 2 ، 2-2 ، 7 آلاف كلفن نظرًا لحقيقة إضافة إضافات خاصة مع المعادن القلوية إلى بيئة العمل. خلاف ذلك ، فإن البلازما ليست كافيةدرجة فعالة ، لأن قيمة التوصيل الكهربائي الخاص بها تصبح أقل بكثير من قيمة نفس الماء.

دورة الجهاز النموذجية

العقد الأخرى التي تشكل تصميم المولد المغنطيسي الهيدروديناميكي من الأفضل إدراجها جنبًا إلى جنب مع وصف العمليات الوظيفية في التسلسل الذي تحدث فيه.

1. تستقبل غرفة الاحتراق الوقود المحمل بها. كما تمت إضافة عوامل مؤكسدة ومضافات مختلفة.
2. يبدأ الوقود في الاحتراق ، مما يسمح بتكوين الغاز كمنتج للاحتراق.
3. بعد ذلك ، يتم تنشيط فوهة المولد. تمر الغازات من خلاله ثم تتمدد بعد ذلك فتزداد سرعتها إلى سرعة الصوت.
4. يأتي الإجراء إلى غرفة تمرر مجالًا مغناطيسيًا من خلالها. على جدرانه أقطاب كهربائية خاصة. هذا هو المكان الذي تأتي فيه الغازات في هذه المرحلة من الدورة.
5. ثم ينحرف الجسم العامل تحت تأثير الجسيمات المشحونة عن مساره الأساسي. الاتجاه الجديد هو بالضبط مكان وجود الأقطاب الكهربائية.
6. المرحلة النهائية. يتم توليد تيار كهربائي بين الأقطاب الكهربائية. هذا هو المكان الذي تنتهي فيه الدورة.

التصنيفات الرئيسية

هناك العديد من الخيارات للجهاز النهائي ، لكن مبدأ التشغيل سيكون هو نفسه تقريبًا في أي منها. على سبيل المثال ، من الممكن إطلاق مولد مغناطيسي هيدروديناميكي على وقود صلب مثل منتجات الاحتراق الأحفوري. أيضا كمصدريتم استخدام الطاقة والأبخرة الفلزية القلوية ومخاليطها ثنائية الطور مع المعادن السائلة. وفقًا لمدة التشغيل ، تنقسم مولدات MHD إلى المدى الطويل والقصير ، والأخير - إلى نبضي ومتفجر. تشمل مصادر الحرارة المفاعلات النووية والمبادلات الحرارية والمحركات النفاثة.

بالإضافة إلى ذلك ، يوجد أيضًا تصنيف حسب نوع دورة العمل. هنا يحدث التقسيم فقط إلى نوعين رئيسيين. مولدات الدورة المفتوحة لها سائل عامل ممزوج بالإضافات. تمر منتجات الاحتراق عبر غرفة العمل ، حيث يتم تنظيفها من الشوائب أثناء العملية ويتم إطلاقها في الغلاف الجوي. في دورة مغلقة ، يدخل مائع العمل في المبادل الحراري وبعد ذلك فقط يدخل غرفة المولد. بعد ذلك ، تنتظر منتجات الاحتراق الضاغط الذي يكمل الدورة. بعد ذلك ، يعود سائل العمل إلى المرحلة الأولى في المبادل الحراري.

الميزات الرئيسية

إذا كان من الممكن اعتبار مسألة ما الذي ينتج مولد مغناطيسي هيدروديناميكي مغطاة بالكامل ، فيجب تقديم المعلمات التقنية الرئيسية لهذه الأجهزة. ربما تكون القوة هي أولى هذه العوامل في الأهمية. يتناسب مع موصلية مائع العمل ، وكذلك مربعات شدة المجال المغناطيسي وسرعته. إذا كان سائل العمل عبارة عن بلازما بدرجة حرارة حوالي 2-3 ألف كلفن ، فإن الموصلية تتناسب معها في درجات 11-13 وتتناسب عكسياً مع الجذر التربيعي للضغط.

يجب عليك أيضًا تقديم بيانات عن معدل التدفق وتحريض المجال المغناطيسي. تختلف أول هذه الخصائص على نطاق واسع ، بدءًا من السرعات دون سرعة الصوت إلى السرعات فوق الصوتية التي تصل إلى 1900 متر في الثانية. أما بالنسبة لتحريض المجال المغناطيسي ، فيعتمد على تصميم المغناطيس. إذا كانت مصنوعة من الفولاذ ، فسيتم ضبط الشريط العلوي عند حوالي 2 T. بالنسبة لنظام يتكون من مغناطيسات فائقة التوصيل ، ترتفع هذه القيمة إلى 6-8 T.

تطبيق مولدات MHD

لم يتم ملاحظة الاستخدام الواسع لهذه الأجهزة اليوم. ومع ذلك ، فمن الممكن نظريًا بناء محطات طاقة بمولدات مغناطيسية هيدروديناميكية. هناك ثلاثة اختلافات صالحة في المجموع:

1. محطات توليد الطاقة الانصهار. يستخدمون دورة خالية من النيوترونات مع مولد MHD. من المعتاد استخدام البلازما في درجات حرارة عالية كوقود.
2. محطات توليد الطاقة الحرارية. يتم استخدام نوع مفتوح من الدورات ، والتركيبات نفسها بسيطة للغاية من حيث ميزات التصميم. هذا هو الخيار الذي لا يزال لديه آفاق التنمية.
3. محطات الطاقة النووية. السائل العامل في هذه الحالة هو غاز خامل. يتم تسخينه في مفاعل نووي في دورة مغلقة. كما أن لديها آفاق التنمية. ومع ذلك ، فإن إمكانية التطبيق تعتمد على ظهور مفاعلات نووية بدرجة حرارة مائع تشغيل تزيد عن ألفي كلفن.

منظور الجهاز

تعتمد أهمية المولدات المغناطيسية الديناميكية على عدد من العوامل ولا تزال المشاكل دون حل. مثال على ذلك هو قدرة هذه الأجهزة على توليد تيار مباشر فقط ، مما يعني أنه من أجل صيانتها ، من الضروري تصميم محولات قوية بما فيه الكفاية ، علاوة على ذلك ، اقتصادية.

مشكلة أخرى واضحة هي نقص المواد الضرورية التي يمكن أن تعمل لفترة طويلة بما فيه الكفاية في ظروف تسخين الوقود إلى درجات حرارة قصوى. الأمر نفسه ينطبق على الأقطاب الكهربائية المستخدمة في مثل هذه المولدات.

استخدامات أخرى

بالإضافة إلى عملها في قلب محطات الطاقة ، فهذه الأجهزة قادرة على العمل في محطات طاقة خاصة ، والتي ستكون مفيدة جدًا للطاقة النووية. يُسمح أيضًا باستخدام مولد مغناطيسي هيدروديناميكي في أنظمة الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت ، ولكن حتى الآن لم يلاحظ أي تقدم في هذا المجال.