Generador magnetohidrodinámico

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Generador magnetohidrodinámico, generador MHD :  una planta de energía en la que la energía de un fluido de trabajo ( medio conductor de electricidad líquido o gaseoso ) que se mueve en un campo magnético se convierte directamente en energía eléctrica .

Origen del nombre

En el generador MHD , la energía mecánica del medio en movimiento se convierte directamente en energía eléctrica. El movimiento de tales medios se describe mediante hidrodinámica magnética ( MHD ), que dio nombre al dispositivo .

Cómo funciona

El principio de funcionamiento de un generador MHD, al igual que una máquina generadora convencional , se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética , es decir, en la aparición de corriente en un conductor que cruza las líneas del campo magnético . A diferencia de los generadores de máquinas, el conductor en el generador MHD es el propio fluido de trabajo .

El cuerpo de trabajo se mueve a través del campo magnético y, bajo la acción del campo magnético, surgen flujos de portadores de carga de signos opuestos en direcciones opuestas.

La fuerza de Lorentz actúa sobre una partícula cargada .

Los siguientes medios pueden servir como cuerpo de trabajo del generador MHD:

Los primeros generadores MHD usaban líquidos eléctricamente conductores (electrolitos) como fluido de trabajo. Actualmente se utiliza plasma, en el que los portadores de carga son principalmente electrones libres e iones positivos . Bajo la influencia de un campo magnético, los portadores de carga se desvían de la trayectoria a lo largo de la cual se movería el gas en ausencia de un campo. En este caso, en un campo magnético fuerte, puede ocurrir un campo Hall (ver el efecto Hall ), un campo eléctrico formado como resultado de colisiones y desplazamientos de partículas cargadas en un plano perpendicular al campo magnético.

Bomba MHD

Los generadores MHD tienen la propiedad de reversibilidad. Cuando se aplica un voltaje eléctrico a los electrodos, una fuerza actuará sobre el medio eléctricamente conductor, como sobre un conductor con corriente en un campo magnético. Esta fuerza se puede utilizar para bombear líquidos y gases conductores.

Dispositivo

Un generador MHD consta de un canal a lo largo del cual se mueve el fluido de trabajo (generalmente plasma ) , un sistema de imanes para crear un campo magnético y electrodos que eliminan la energía recibida. Los electroimanes o imanes permanentes , así como otras fuentes de campo magnético, pueden utilizarse como imanes .

Un gas es capaz de conducir (ver conductividad eléctrica ) una corriente eléctrica cuando se calienta a una temperatura de ionización térmica de unos 10.000 K. Para reducir esta temperatura a 2200-2700 K, se introducen en el gas calentado aditivos que contienen metales alcalinos . Por ejemplo, la introducción de un 1% de potasio en forma de potasa permite multiplicar por diez la conductividad eléctrica. Sin aditivos, a temperaturas de 2200–2700 K, el gas es un plasma de baja temperatura y conduce peor la corriente que el agua.

A diferencia de un generador MHD con un fluido de trabajo líquido, donde la electricidad se genera solo convirtiendo una parte de la energía cinética o potencial del flujo a una temperatura constante, tres modos son fundamentalmente posibles en los generadores MHD con un fluido de trabajo de gas:

Descripción del funcionamiento del generador MHD:

Clasificación

Clasificación por duración del trabajo [1] :

Las fuentes de calor en los generadores MHD pueden ser:

Los siguientes pueden usarse como cuerpos de trabajo en generadores MHD:

Según el tipo de ciclo de trabajo, los generadores MHD se distinguen:

Según el método de eliminación de electricidad, los generadores MHD se distinguen:

La forma de los canales en los generadores MHD puede ser:

Según el diseño y el método de conexión de los electrodos, se distinguen los siguientes generadores MHD:

Desde la década de 1970, los generadores MHD lineales conductivos se han utilizado más ampliamente en productos de combustión de combustibles fósiles con aditivos de metales alcalinos, operando en un ciclo abierto.

Historia de la invención

La idea de utilizar un conductor líquido fue propuesta por primera vez por Michael Faraday en 1832. Demostró que en un conductor en movimiento , bajo la acción de un campo magnético , surge una corriente eléctrica . En 1832, Faraday y sus ayudantes bajaron dos láminas de cobre desde el puente de Waterloo al agua del río Támesis . Las láminas estaban conectadas por cables a un galvanómetro . Se esperaba que las aguas de un río que fluye de oeste a este, un conductor en movimiento y el campo magnético de la Tierra, crearían una corriente eléctrica, que sería registrada por un galvanómetro. La experiencia fracasó. Las posibles razones de la falla incluyen la baja conductividad eléctrica del agua y la baja magnitud del campo magnético de la Tierra .

Más tarde, en 1851, el científico inglés Wollaston logró medir la FEM inducida por maremotos en el Canal de la Mancha , sin embargo, la falta de conocimientos necesarios sobre las propiedades eléctricas de líquidos y gases dificultó el uso de los efectos descritos en la práctica durante mucho tiempo. tiempo.

En los años siguientes, la investigación se desarrolló en dos direcciones principales:

Aunque las primeras patentes para generar electricidad mediante un generador MHD que utiliza gas de energía ionizada se emitieron entre 1907 y 1910, los diseños descritos en ellas eran irrealizables en la práctica. En ese momento, no había materiales capaces de operar en un medio gaseoso a una temperatura de 2500-3000 °C.

El desarrollo de los generadores MHD se hizo posible después de la creación de una base teórica y experimental para el estudio de la magnetohidrodinámica . Las leyes básicas de MHD fueron descubiertas en 1944 por el científico sueco Hannes Alfven mientras estudiaba el comportamiento del plasma cósmico (plasma que llena el espacio interestelar) en un campo magnético.

El primer generador MHD en funcionamiento se construyó solo en la década de 1950 debido al desarrollo de la teoría de la magnetohidrodinámica y la física del plasma , la investigación en el campo de la física de alta temperatura y la creación en ese momento de materiales resistentes al calor, que luego se utilizaron principalmente en tecnología de cohetes

La fuente de plasma con una temperatura de 3000 K en el primer generador MHD construido en los EE. UU. en 1959 era una antorcha de plasma que funcionaba con argón con un aditivo de metal alcalino para aumentar el grado de ionización del gas . La potencia del generador era de 11,5 kW . A mediados de la década de 1960, la potencia de los generadores MHD que utilizan productos de combustión podría aumentarse a 32 MW (Mark-V, EE. UU.).

En la URSS, la primera instalación de laboratorio "U-02", que funcionaba con combustible natural, se creó en 1964 [2] . En 1971, se inauguró la central eléctrica industrial piloto "U-25" del Instituto de Altas Temperaturas de la Academia Rusa de Ciencias , con una capacidad de diseño de 20-25 MW .
"U-25" trabajó en los productos de combustión del gas natural con la adición de K 2 CO 3 como aditivo ionizante, la temperatura de flujo fue de aproximadamente 3000 K. La instalación tenía dos circuitos:

El equipo eléctrico del “U-25” consistía en un generador MHD y una instalación inverter , ensamblados sobre ignitrones de mercurio . En 1992, CHPP-28 se creó sobre la base del sitio piloto U-25 , que se convirtió en parte del sistema energético de Moscú. Posteriormente pasó a formar parte del CHPP-21 .

En Rusia, se estaba construyendo un generador industrial MHD en Novomichurinsk , Ryazan Oblast, donde se construyó especialmente un MHDPP junto al Ryazanskaya GRES . Sin embargo, el generador nunca se puso en funcionamiento. Desde principios de la década de 1990, el trabajo se redujo por completo y la central eléctrica MHD, sin un generador MHD, que operaba como una central térmica convencional, después de varias transformaciones, finalmente se adjuntó al Ryazanskaya GRES.

En el curso del experimento geofísico "Khibiny" a mediados de la década de 1970 en la URSS para el sondeo eléctrico de la corteza terrestre, un generador MHD pulsado con una potencia máxima de 100 MW , una corriente de 20 kA y un tiempo de funcionamiento de unos 10 se utilizó s [1] .

Características

Poder

La potencia del generador MHD es proporcional a la conductividad del fluido de trabajo, el cuadrado de su velocidad y el cuadrado de la intensidad del campo magnético . Para un fluido de trabajo gaseoso en el rango de temperatura de 2000-3000 K, la conductividad es proporcional a la temperatura a la potencia 11-13 e inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la presión.

Caudal

Las velocidades de flujo en el generador MHD pueden estar en un amplio rango, desde subsónico hasta hipersónico, por encima de 1900 m/s.

Inducción de campo magnético

La inducción del campo magnético está determinada por el diseño de los imanes y está limitada a unas 2  T para imanes con acero y hasta 6-8  T para sistemas magnéticos superconductores .

Ventajas y desventajas

ventajas:

Defectos:

En combinación con centrales eléctricas de vapor, el generador MHD permite obtener grandes capacidades en una unidad, hasta 500–1000 MW.

Aplicación

Teóricamente, existen cinco áreas de aplicación industrial de los generadores MHD:

  1. centrales térmicas con generador MHD que utilizan productos de combustión de combustibles (ciclo abierto); tales instalaciones son las más simples y tienen la perspectiva más cercana de aplicación industrial;
  2. centrales nucleares con un generador MHD que funciona con un gas inerte calentado en un reactor nuclear (ciclo cerrado); las perspectivas de esta dirección dependen del desarrollo de reactores nucleares con una temperatura del fluido de trabajo superior a 2000 K;
  3. centrales termonucleares de ciclo sin neutrones (por ejemplo, D + 3 He → p + 4 He + 18.353 MeV ) con un generador MHD en plasma de alta temperatura;
  4. ciclos con un generador MHD basado en metal líquido, que son prometedores para la ingeniería de energía nuclear y para centrales eléctricas especiales de potencia relativamente pequeña;
  5. Sistemas de aviones hipersónicos . (más de 4 M[ refinar ] ).

Las plantas de energía con un generador MHD también se pueden usar como fuentes de energía de respaldo o de emergencia en sistemas de energía, para sistemas de energía a bordo de tecnología espacial, como fuentes de energía para varios dispositivos que requieren alta potencia por períodos cortos de tiempo (por ejemplo, para potencia de túnel de viento calentadores eléctricos , etc.). P.).

A pesar de las perspectivas tentadoras y el rápido desarrollo de la investigación en el campo de los generadores MHD en la década de 1970, los dispositivos basados ​​en ellos no han encontrado una amplia aplicación industrial. El escollo es la falta de materiales para las paredes del generador y electrodos capaces de operar a temperaturas extremas emergentes por bastante tiempo [2] .

Otro problema es que los generadores MHD solo entregan corriente continua . En consecuencia, se necesitan inversores potentes y económicos [3] .

En los programas educativos de televisión sobre física, transmitidos en la URSS a fines de la década de 1980, se informó que se lanzó un generador MHD industrial y estaba operando en la región de Ryazan, lo cual no era cierto, nunca funcionó. Estamos hablando de Ryazanskaya GRES-24 . El desarrollo de la instalación se llevó a cabo, pero ante ciertos[ ¿Qué? ][ aclarar ] problemas. Finalmente, se canceló la creación del generador MHD, y la caldera de vapor de la instalación se puso en funcionamiento de forma autónoma en 1984 [4] . La instalación preveía una parte MHD con una capacidad de 500 MW y una superestructura de turbina de gas con una capacidad de 300–310 MW a continuación [5] . Este último se completó posteriormente por separado [4] y se puso en funcionamiento el 1 de junio de 2010 [6] .

En el siglo XXI, se están construyendo y probando submarinos experimentales con un sistema de propulsión magnetohidrodinámico [7] .

Véase también

Notas

  1. ↑ 1 2 Oleg Mamaev. Cómo generar electricidad a partir del movimiento: generadores MHD // Ciencia y vida . - 2015. - Nº 8. - S. 72-80. — ISSN 0028-1263. — URL archivada el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine .
  2. ↑ 1 2 Konyushaya Yu. P. Generadores MHD // Descubrimientos de científicos soviéticos. - M . : trabajador Moskovsky, 1979.
  3. ↑ ¿Cuándo se harán realidad los generadores de electricidad de plasma? . "Información eléctrica" . "KM Online" (28 de julio de 2013). Consultado el 28 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 24 de junio de 2016.
  4. ↑ 1 2 Berezinets P. A., Doverman G. I., Tereshina G. E., Kryuchkova T. I. Superestructura de turbina de gas de una unidad de potencia con una capacidad de 300 MW GRES-24 con una unidad de turbina de gas GTE-110 (enlace inaccesible) . OAO VTI - CJSC Optisim-K, Moscú. Consultado el 28 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 23 de junio de 2016. 
  5. ↑ MHD-instalación de Ryazanskaya GRES . Enciclopedia de Ingeniería Mecánica XXL . Consultado el 6 de julio de 2020. Archivado desde el original el 6 de enero de 2019.
  6. ↑ Ryazanskaya GRES (enlace inaccesible) . PJSC Gazprom, OGK-2. Consultado el 28 de mayo de 2016. Archivado desde el original el 28 de septiembre de 2020. 
  7. ↑ En 2017, las fuerzas armadas de la República Popular China probaron un submarino experimental con una planta de energía magnetohidrodinámica única de su propio diseño Copia archivada del 4 de mayo de 2022 en Wayback Machine // PopMech , 09/04/2022

Literatura

Ashkinazi L. Generador MHD // Kvant , 1980. - No. 11. - P. 2-8.
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