Магнитогидродинамический генератор
Поняв важность электричества, люди стали пытаться добыть его любым способом. После создания первого электродвигателя и электрического генератора всего за несколько десятков лет был произведён ряд прототипов генераторов, работающих за счёт различных видов энергии. На сегодняшний день самым практичным, с точки зрения КПД, является генератор, действующий на энергии сгорающего дизельного топлива, однако альтернативные устройства всё же получили распространение и применяются достаточно широко.
Идея, заложенная во все электрические генераторы, заключается в явлении электромагнитной индукции. Это значит, что для получения электричества необходимо создать активное электромагнитное поле, приведя в действие систему электромагнитов и индукционных катушек. Достигается это путём вращения этой системы в силовом поле, а способы, которыми производится вращение, могут быть разными. В самых первых устройствах вал с катушками вращался вручную, что было крайне нерационально.
В магнитогидродинамическом генераторе (или МГД-генераторе) отсутствует система вращающихся катушек, что избавляет его от энергетических потерь. Вместо этого в качестве рабочего тела используются электропроводящая жидкость или газ, энергия которого преобразуется непосредственно в электрическую. Название этому устройству дало явление магнитной гидродинамики, предполагающей движение жидкости в магнитном поле.
Проходя через силовые линии магнитного поля, жидкость (или газ, плазма, жидкий металл), являющаяся в то же время проводником, вызывает его колебание, в результате чего и образуются заряженные частицы, устремляющиеся к электродам. Между электродами возникает электрический ток.
В современных МГД-генераторах в качестве рабочего тела всё чаще используется плазма.
Главным достоинством магнитогидродинамического генератора является отсутствие подвижных узлов и деталей, в результате чего сокращаются потери из-за трения. КПД такого устройства может превышать 65%, что является высоким показателем для генераторов. Кроме того, такие генераторы развивают мощность до 2 ГВт, а количество вредных для окружающей среды веществ сводится к минимуму.
Из недостатков можно выделить высокую стоимость устройства (за счёт строгих требований к материалам электродов и рабочего механизма), а также незначительные выбросы вредных продуктов сгорания.
МГД-генераторы применяются на тепловых, атомных и термоядерных электростанциях в качестве основного и резервного источника электричества, в космической технике и т.д. В промышленности такой тип устройств распространения не получил, но ведутся эксперименты по упрощению рабочего процесса.
Возврат к списку
Контакты
Email: [email protected]
Телефон: +7 495 545-45-80
Бесплатно по РФ: 8 800 500-40-99
Политика конфиденциальности
Наши адреса
Офис / Cклад / Юридический /
Почтовый адрес:
Московская область, Ивантеевка, ул.Трудовая, д.3
Офис/Переговорная:
Москва, Ракетный бул. 16, БЦ “Алексеевская башня”
Вся информация, размещенная на сайте, носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ. Все материалы на сайте являются интеллектуальной собственностью ООО «ГенМастер», согласно ст.1225, ст.1228, ст.1229 части 4 ГК РФ
Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур
Устройство относится к медицинской технике, а именно к гидроволновому физиотерапевтическому лечению и может быть использовано для гидромассажных процедур, например, в гидромассажных ваннах. Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур содержит корпус 1, выполненный в виде полого тела вращения, вихревую камеру 2, выполненную в виде стакана с тангенциальными входными каналами 3 в зоне сопряжения дна со стенками камеры и выходным каналом в виде диффузора 4, коаксиально установленные и собранные с помощью резьбового соединения, с образованием зоны их сопряжения 5, переходящей в конусообразный кольцевой зазор 6.
На торце вихревой камеры выполнен бортик 7 с насечкой для перемещения вихревой камеры вдоль корпуса при вращении бортика. Трубопровод 8 для подвода воды выполнен в виде гибкого шланга, герметично соединенного с корпусом. Предложенный гидродинамический генератор позволяет осуществлять физиотерапевтического воздействие с регулируемой интенсивностью, что расширяет возможности его использования для проведения гидромассажных процедур различного назначения. 1 н.п.ф., фиг.3
Устройство относится к медицинской технике, а именно к гидроволновому физиотерапевтическому лечению и может быть использовано для гидромассажных процедур, например, в гидромассажных ваннах.
Известен волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур содержащий корпус с патрубком для подвода воды, выполненный в виде вихревой камеры с тангенциально направленным входным каналом, оснащенным гидроакустической головкой, на торцевой поверхности которой выполнены радиально-тангенциальные пазы по направлению вращения жидкости, а на корпусе выполнено центральное отверстие.
(См. Патент РФ 2008881, А61Н 13/00, 1990 г.)
В вихревой камере вода приобретает вращательное движение с большой частотой вращения и через выходной канал, направляется радиально-расходящим потоком по радиально-расходящим пазам. За счет разрежения по оси вихревой камеры генерируются гидроакустические волны автоколебательного характера. Для выполнения процедуры гидроакустическую головку прикладывают к обрабатываемой поверхности. Образуется пульсирующее депрессионное давление, положительно сказывается на кровоснабжении.
Недостаток этого устройства в возможности применения его только для обработки локальной поверхности тела, например для гидроволнового физиотерапевтического лечения десен.
Этот недостаток преодолен в другом известном волновом гидродинамическом генераторе для гидромассажных процедур, содержащем корпус с входным и выходным каналами, вакуумную камеру, установленную на торце корпуса, выполненную в виде стакана с тангенциальными выходными каналами в зоне сопряжения дна со стенками корпуса, вихревую камеру, установленную в корпусе с образованием кольцевой полости в зоне соединения с вакуумной камерой.
(См. Патент РФ 2010559, А61Н 9/00, 1991 г.)
В процессе работы устройства в вакуумной камере создается депрессия и проявляется баночный эффект.
Недостаток этого устройства в его низкой эффективности.
Известен волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур, содержащий корпус, выполненный в виде полого тела вращения, вихревую камеру, выполненную в виде стакана с тангенциальными входными каналами в зоне сопряжения дна со стенками камеры и выходным каналом в виде диффузора, коаксиально установленные и собранные с помощью резьбового соединения, с образованием кольцевого зазора между стенками вихревой камеры и корпусом.
(См. Патент РФ 2015749, В06В 1/20, 1991 г.)
Данная конструкция обеспечивает резонансный режим работы устройства, что позволяет использовать его в тех случаях, когда требуется обеспечить интенсивное физиотерапевтическое воздействие.
Однако колебания давления в жидкости обладают постоянной амплитудой на выходе из генератора, что не позволяет регулировать параметры физиотерапевтического воздействия и ограничивает область применения устройства.
Техническим результатом разработки является создание устройства с изменяемой интенсивностью физиотерапевтического воздействия путем регулирования мощности колебаний жидкости на выходе из генератора.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в волновом гидродинамическом генераторе для гидромассажных процедур, содержащем корпус, выполненный в виде полого тела вращения, вихревую камеру, выполненную в виде стакана с тангенциальными входными каналами в зоне сопряжения дна со стенками камеры и выходным каналом в виде диффузора, коаксиально установленные и собранные с помощью резьбового соединения, с образованием кольцевого зазора между стенками вихревой камеры и корпусом, после зоны резьбового соединения корпуса и вихревой камеры расположена зона их сопряжения, вслед за которой площадь кольцевого зазора постепенно увеличивается, а со стороны диффузора на торце вихревой камеры выполнен бортик с насечкой с возможностью перемещения вихревой камеры вдоль корпуса при вращении бортика.
Возможность регулирования профиля кольцевого канала перед входными отверстиями в вихревую камеру позволяет изменять скорость воды в генераторе и за счет этого изменять амплитуду и частоту колебаний давления на выходе из генератора.
На фиг.1 представлен волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур в ванне.
На фиг.2 — гидродинамический генератор в сечении А-А на фиг.1.
На фиг.3 — показан волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур, осуществляемых оператором вручную.
Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур содержит корпус 1 (фиг.1), выполненный в виде полого тела вращения, вихревую камеру 2, выполненную в виде стакана с тангенциальными входными каналами 3 (фиг.2) в зоне сопряжения дна со стенками камеры и выходным каналом в виде диффузора 4, коаксиально установленные и собранные с помощью резьбового соединения, с образованием кольцевого зазора между стенками вихревой камеры и корпусом. После зоны резьбового соединения корпуса и вихревой камеры расположена зона их сопряжения 5, вслед за которой площадь кольцевого зазора 6 постепенно увеличивается, а со стороны диффузора на торце вихревой камеры выполнен бортик 7 с насечкой для перемещения вихревой камеры вдоль корпуса при вращении бортика.
Трубопровод 8 для подвода воды выполнен в виде гибкого шланга, герметично соединенного с корпусом. Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур может быть установлен на стенке корпуса ванны 9, как показано на фиг.1 или снабжен рукояткой 10 (фиг.3) для гидромассажных процедур, осуществляемых оператором вручную.
Устройство работает следующим образом.
Из подводящего трубопровода 8 вода (по стрелке) поступает в кольцевой зазор 6 между корпусом 1 и вихревой камерой 2, а затем через входные тангенциальные каналы 3 втекает в вихревую камеру. В вихревой камере возникают автоколебания давления и скорости воды, обеспечивающие пульсации разряжения-сжатия в диффузоре 4, являющиеся источником волн давления. Для проведения гидромассажных процедур, ванну 9 заполняют водой с температурой 35-37°С таким образом, чтобы уровень воды в ней был выше установленного на стенке корпуса ванны генератора или чтобы генератор с рукояткой был полностью погружен в воду, которую с помощью насоса (на чертеже не показан) по трубопроводу непрерывно прокачивают через генератор по замкнутому контуру.
В результате воздействия на ткани и органы объекта усиливается артериальный приток крови, активная релаксация мышечных волокон, улучшается лифмообращение и обменно-восстановительные процессы. При проведении гидромассажных процедур вручную, оператор направляет устройство на объект, удерживая его за рукоятку 10. Совершая устройством круговые, зигзагообразные спиралевидные, поперечные и возвратно-поступательные движения в течении 10-15 мин, на поверхности тела производят процедуру массажа. При вывертывании вихревой камеры из корпуса путем вращения ее за бортик 7, отверстия в вихревую камеру перемещаются из широкой области кольцевого зазора 5 в узкую. При этом за счет уменьшения площади поперечного сечения кольцевого зазора перед входными отверстиями в вихревую камеру напор скорость воды увеличивается, что приводит к изменению условий возникновения автоколебаний и параметров возбуждаемых волн давления на выходе из диффузора. При дальнейшем выворачивании вихревой камеры, входные отверстия перемещаются в зону 5 ее сопряжения с корпусом устройства и процесс прекращается.
Предложенный гидродинамический генератор позволяет осуществлять физиотерапевтическое воздействие с регулируемой интенсивностью, что расширяет возможности его применения.
Волновой гидродинамический генератор для гидромассажных процедур, содержащий корпус, выполненный в виде полого тела вращения, вихревую камеру, выполненную в виде стакана с тангенциальными входными каналами в зоне сопряжения дна со стенками камеры и выходным каналом в виде диффузора, коаксиально установленные и собранные с помощью резьбового соединения с образованием кольцевого зазора между стенками вихревой камеры и корпусом, отличающийся тем, что после зоны резьбового соединения корпуса и вихревой камеры расположена зона их сопряжения, вслед за которой площадь кольцевого зазора постепенно увеличивается, а со стороны диффузора на торце вихревой камеры выполнен бортик с насечкой с возможностью перемещения вихревой камеры вдоль корпуса при вращении бортика.
Магнитогидродинамический генератор энергии | физика
Магнитогидродинамический генератор
См.
все СМИ
- Связанные темы:
- дисковый генератор МГД воздуховод топпинг Генератор Фарадея диагональный генератор
См. весь связанный контент →
магнитогидродинамический генератор энергии , любой из классов устройств, которые генерируют электроэнергию посредством взаимодействия движущейся жидкости (обычно ионизированного газа или плазмы) и магнитного поля. Магнитогидродинамические (МГД) электростанции предлагают потенциал для крупномасштабного производства электроэнергии с меньшим воздействием на окружающую среду. С 1970, несколько стран предприняли исследовательские программы по МГД с особым упором на использование угля в качестве топлива. МГД-генераторы также привлекательны для производства импульсов большой мощности.
Основной принцип МГД-генерации элегантно прост. Как правило, электропроводящий газ получают при высоком давлении путем сжигания ископаемого топлива. Затем газ направляется через магнитное поле, в результате чего внутри него возникает электродвижущая сила в соответствии с законом индукции Фарадея (названным в честь 19английский физик и химик Майкл Фарадей).
МГД-система представляет собой тепловую машину, в которой газ расширяется от высокого до низкого давления аналогично тому, как это делается в обычном газовом турбогенераторе ( см. рисунок ). В турбогенераторе газ взаимодействует с поверхностями лопаток, приводя в действие турбину и прикрепленный к ней электрогенератор. В системе МГД кинетическая энергия газа преобразуется непосредственно в электрическую энергию по мере того, как газ расширяется.
Первоначально интерес к МГД-энергетике был вызван наблюдением, что взаимодействие плазмы с магнитным полем может происходить при гораздо более высоких температурах, чем это возможно во вращающейся механической турбине. Предельные характеристики с точки зрения КПД тепловых машин были установлены в начале 19 века французским инженером Сади Карно. Цикл Карно, который устанавливает максимальный теоретический КПД тепловой машины, получается из разницы между температурой горячего источника и температурой холодного стока, деленной на температуру источника.
Базовая структура МГД-генератора показана на рисунке. В МГД-генераторе горячий газ ускоряется соплом и впрыскивается в канал. Поперек канала создается мощное магнитное поле. В соответствии с законом индукции Фарадея устанавливается электрическое поле, которое действует в направлении, перпендикулярном как потоку газа, так и магнитному полю.
Стенки канала, параллельные магнитному полю, служат электродами и позволяют генератору подавать электрический ток во внешнюю цепь.
Выходная мощность МГД-генератора на каждый кубический метр объема его канала пропорциональна произведению проводимости газа, квадрату скорости газа и квадрату напряженности магнитного поля, через которое проходит газ. Чтобы МГД-генераторы работали конкурентоспособно с хорошими характеристиками и разумными физическими размерами, электропроводность плазмы должна находиться в диапазоне температур выше примерно 1800 К (около 1500 ° C или 2800 ° F). Лопасти турбины газотурбинной энергосистемы не могут работать при таких температурах. Соответствующее значение электропроводности — от 10 до 50 сименс на метр — может быть достигнуто, если в горячий газ вводится добавка, обычно около 1 процента по массе. Эта добавка представляет собой легко ионизируемый щелочной материал, такой как цезий, карбонат калия или натрий, и называется «затравкой». В то время как цезий имеет самый низкий ионизирующий потенциал (3,894 электрон-вольта), калий (4,341 электрон-вольта) дешевле.
Горячий газ с его затравкой находится под давлением в несколько миллионов паскалей. С помощью сопла он разгоняется до скорости, которая может находиться в диапазоне от 1000 до 2000 метров (примерно от 3300 до 6600 футов) в секунду. Затем газ поступает в канал или воздуховод, через который прикладывается магнитное поле. Для создания конкурентоспособной МГД-системы это магнитное поле должно иметь высокую напряженность. Обычно сверхпроводящий магнит используется для создания магнитного поля в диапазоне от трех до пяти тесла поперек канала. Создается электродвижущая сила, действующая в направлении, перпендикулярном как потоку, так и полю, а стенки, параллельные магнитному полю, служат электродами для подачи тока во внешнюю электрическую цепь. Остальные две стенки канала являются электрическими изоляторами. Теоретически МГД-система с газовой проводимостью 25 сименс на метр, средним магнитным полем в три тесла и средней скоростью газа 1000 метров в секунду способна генерировать электроэнергию с плотностью около 250 миллионов ватт на кубический метр.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас
Усложняющей особенностью плазменного МГД-генератора является наличие ярко выраженного эффекта Холла. Это связано с поведением электронов в присутствии как магнитного, так и электрического полей. Электроны в плазме обладают гораздо большей подвижностью, чем ионы. При протекании тока электрической нагрузки по каналу электроны в этом токе испытывают силу, направленную вдоль канала. Это эффект Холла, названный в честь его первооткрывателя, американского физика Эдвина Х. Холла. В результате этого эффекта электрический ток протекает под углом поперек канала. Вдоль оси канала устанавливается дополнительное электрическое поле, называемое полем Холла. Это, в свою очередь, требует, чтобы либо стенки электродов в типичной конфигурации генератора (
Для учета эффекта Холла был разработан ряд конфигураций генератора. В генераторе Фарадея, как показано в части А рисунка, стенки электродов разделены на сегменты и изолированы друг от друга, чтобы поддерживать аксиальное электрическое поле, а электроэнергия отбирается в виде серии нагрузок. В альтернативной конфигурации, известной как генератор Холла, как показано в части B рисунка, поле Фарадея в каждом секторе канала закорочено, и сектора соединены последовательно. Это позволяет подключить одну электрическую нагрузку между концами канала. Дополнительная конфигурация генератора показана в части С рисунка. Рассмотрение электрических потенциалов в разных точках канала приводит к наблюдению, что эквипотенциал проходит по диагонали через стенки изолятора и что электроды могут быть соответствующим образом смещены, чтобы соответствовать эквипотенциалам. Последовательное соединение этих электродов в этом диагональном генераторе позволяет использовать одну электрическую нагрузку.
Привлекательной альтернативой линейному генератору Холла в части B рисунка является дисковый генератор, показанный в части D рисунка.
В этой конфигурации ток нагрузки течет радиально, а короткозамкнутые фарадеевские токи текут по замкнутым круговым траекториям. Выход Холла появляется между центром и периферией диска. Этот дисковый генератор привлекателен при использовании неравновесной ионизации.
NETL Лидер в области магнитогидродинамических исследований в области производства электроэнергии
NETL лидирует в исследованиях магнитогидродинамического производства электроэнергии
17 июня 2020 г.
Исследование под руководством NETL показывает возможности и преимущества развития магнитогидродинамического (МГД) производства электроэнергии, такие как повышение эффективности электростанций, работающих на ископаемом топливе, и снижение затрат на внедрение улавливания углерода .
Генерация МГД работает путем извлечения прямой кинетической энергии из быстро движущихся ионизированных газов и преобразования ее в электричество без каких-либо движущихся частей. Это делается с помощью силы Лоренца, которая отклоняет противоположно заряженные частицы друг от друга в сильном магнитном поле.
Собирая противоположные заряды на электродах, создается электрический потенциал или напряжение, которое можно использовать для управления внешними нагрузками.
Питер Хси из отдела конструкционных материалов NETL сказал, что условия для работы МГД-генератора могут применяться на солнечных, атомных электростанциях и электростанциях, работающих на ископаемом топливе, для повышения энергоэффективности и снижения затрат на улавливание углерода. Углекислый газ и водяной пар являются единственными продуктами горения на кислородно-топливных электростанциях, и последний легко отделяется за счет конденсации. Генерация МГД делает кислородно-топливное сжигание более экономичным, помогая компенсировать энергию, необходимую для отделения кислорода от воздуха.
В настоящее время кислородно-угольное сжигание привело бы к увеличению стоимости электроэнергии более чем на 50%, и две трети этого увеличения связаны со стоимостью эксплуатации воздухоразделительной установки. МГД-генераторы являются оптимальным вариантом для извлечения электроэнергии при кислородно-угольных температурах горения и использования ее для питания воздухоразделительной установки.
Другие потенциальные преимущества МГД-генераторов включают уменьшенный размер оборудования, что, в свою очередь, снижает капитальные затраты. Эксплуатационные расходы также ниже, при более эффективном использовании источника топлива. Процесс МГД может генерировать большое количество энергии, подходит для пиковой выработки электроэнергии без загрязнения окружающей среды, а отсутствие движущихся частей обеспечивает надежность.
NETL продолжает работать над решением проблем, связанных с МГД-генерацией, одной из которых являются материалы, выдерживающие сверхвысокие температуры кислородно-топливных циклов, используемых в их операциях. Потенциальные решения проблемы потери массы при высоких температурах, изучаемые лабораторией, включают наплавку платины с помощью взрывной и ультразвуковой сварки, а также керамические покрытия и электроды.
«Большая часть ранних исследований сверхвысокотемпературных материалов связана с космической гонкой, — сказал Хси. «Например, окси-керосиновая топливно-окислительная смесь используется в миссиях на Луну.
По сути, мы пытаемся придумать материалы, используемые в соплах ракет, но без активных систем охлаждения, что является очень сложной задачей. В инженерии часто материалы определяют, что вы можете сделать».
Вместе со своими партнерами в академических кругах и промышленности NETL является единственной национальной лабораторией, которая в настоящее время проводит исследования в области МГД-энергетики. МГД-лаборатория NETL в Олбани продолжает открывать новые горизонты в технологиях сверхвысокотемпературных МГД-генераторов, которые включают новую, инновационную керамику, предназначенную для работы при температурах выше точки кипения металлического калия, обычного средства ионизации для МГД-систем.
Се сказал, что со временем ожидается больше улучшений. Хотя большая часть концепций мощности МГД возникла в результате прошлых исследований, финансируемых Министерством энергетики, дальнейшая работа в 1980-х мешали технологические ограничения, которые больше не являются фактором.
Например, технологии 3D-печати используются для изготовления компонентов новых МГД-генераторов, что намного проще и дешевле, чем ручная обработка отдельных деталей. Кроме того, Хсей сказал, что инструменты вычислительного моделирования, которых не было в 1980-х годах, могут помочь инженерам оценить проекты каналов за небольшую часть стоимости создания физических моделей или прототипов для каждой итерации.
NETL — национальная лаборатория Министерства энергетики США, которая разрабатывает технологические решения для решения американских энергетических задач. От разработки творческих инноваций и эффективных энергетических систем, которые делают уголь более конкурентоспособным, до передовых технологий, улучшающих процессы добычи и транспортировки нефти и природного газа, исследования NETL обеспечивают прорывы и открытия, которые поддерживают внутренние энергетические инициативы, стимулируют рост экономики и улучшают здоровье. , безопасность и безопасность всех американцев.