ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА НА МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ ПРИНЦИПЕ СОЗДАНИЯ ПОТОКА РАБОЧЕГО ТЕЛА

​АННОТАЦИЯ

В данной работе дается определение магнитогидродинамическому генератору. Описывается механизм функционирования генератора.  Приводятся примеры использования плазмы как рабочего тела. Рассмотрены преимущества и недостатки генераторов такого типа. Приведены примеры поведения рабочего тела (плазмы) в различных условиях внешней среды.

Ключевые слова: магнитогидродинамический генератор, МГДГ, рабочее тело, плазма, заряженные частицы, электроэнергия.

Магнитогидродинамический генератор (МГДГ) – это устройство для генерации электрической энергии, в котором происходит преобразование механической энергии движущегося рабочего тела в электроэнергию.

Механизм функционирования магнитогидродинамического генератора связан с появлением электрического тока в проводнике, пересекающем линии магнитного поля, что объясняется явлением электромагнитной индукции.

В статье за рабочее тело принята токопроводящая среда – плазма, движение которой описывается гидродинамикой. При движении поперек магнитного поля данный проводник приобретает противоположно направленные потоки носителей зарядов с противоположными знаками. Чтобы ее получить, существует много способов. Так, наиболее широко применяемыми являются способ нагревания газа в ядерных реакторах и способ сжигания горючего вещества.

Схематический принцип работы МГДГ изображен на рисунке 1.

Рисунок 1. Схематический принцип работы МГДГ

Из схемы видно, что каналы МГД генератора, находящиеся в магнитном поле, пропускают создаваемое электромагнитом рабочее тело, которое движется с высокой скоростью. В некоторых случаях ее быстродействие может достигать сверхзвуковых значений. Плазма, оказавшись в камере сгорания, претерпевает воздействие внешнего магнитного поля, которое, в свою очередь, разделяет положительно заряженные ионы плазмы от ее же отрицательно заряженных электронов. Данный процесс представлен на рисунке 2.

Рисунок 2. Сортировка заряженных частиц рабочего тела

После сортировки внешнее магнитное поле направляет разделенные электроны и ионы по разным траекториям. Направление действующей на них силы определяется по правилу левой руки. Как следствие положительные ионы оседают на катоде, а отрицательные на аноде. Так как у электродов возникает одноименный заряд, между ними возникает ЭДС, после чего в соединяющем электроды проводнике, будет протекать электрический ток, плотность которого определяется по формуле

где j – плотность потока;

β – параметр Холла для электронов;

σ – удельная проводимость среды;

Е – напряженность электрического поля;

v – скорость заряженных частиц;

В – индукция магнитного поля.

Стоит отметить, что из-за протекающего через плазму тока, в ней образуется электромагнитная сила Ампера, преодоление которой описывается формулой

Преимущество такого генератора проявляется в отсутствии движущейся части – ротора - что позволяет ему генерировать большие мощности (1000 мВт) и в последствии получить допустимые техноэкономические показатели. В дополнении к этому МГДГ оснащен жаропрочными материалами, что позволяет ему работать при повышенной температуре ().

Однако, генераторы такого рода на производствах используются нечасто. На практике существует несколько нюансов, которые препятствуют их распространению. Плазма является дорогим проводником, из-за чего метод, где она используется считается затратным. Как альтернативу можно использовать природный газ. Однако и такой способ не будет востребованным, так как газ необходимо нагреть до температуры, при которой генератор не сможет проработать долго (≈), что также не экономично. В случаях, когда необходимо повысить КПД генератора используют жидкие металлы, такие как литий или калий. Недостаток жидких металлов в их несжимаемости, из-за чего МГДГ нельзя использовать в роли термодинамического рабочего тела энергетической установки.

Таким образом для того, чтобы магнитогидродинамические генераторы постоянного тока получили широкое распространение в мире необходимо решить ряд вышеперечисленных проблем. Одним из таких решений, может быть, использование бюджетной плазмы или природного газа более низких температур (не менее ).

В заключение следует отметить, что потенциалы магнитогидродинамических генераторов достигают необходимых значений с высокой скоростью, что позволяет использовать их в будущем для эффективного производства электроэнергии. Их уникальные характеристики представляют собой интерес для дальнейших исследований в области энергетики и промышленности. Знание и понимание принципов работы магнитогидродинамических генераторов могут способствовать развитию новых технологий и улучшению существующих систем энергопроизводства. В целом, данная тема остается актуальной и перспективной для научного сообщества.

Список литературы:

1. Виноградова, Г.Н. Аналитические исследования предельных режимов течения в МГД-каналах // Вестник ТГУ. -н.статья.– Томск, ТГУ, 2020. – № 64.
2. Вольдек, А.И. Электрические машины // Учебник для студентов высших. технических учебных заведений. – Ленинград, Л. Энергия, 1978. – 832 с., ил.
3. Игнатович, В.М. Электрические машины и трансформаторы // Учебное пособие. – Томск, НИТПУ, 6-е изд., 2013. – 181 с.
4. Ватажин, А.Б. Магнитогидродинамические течения в каналах. // М.наука.- Москва : Наука, Физматлит, 1970. - 672 с.
5. Беккер, М. В. Исследование по баллистике и смежным вопросам механики // Издательство ТУ.-сб.статей.-Томск, ТУ, 1998.-182 с.