Способ получения кислорода и водорода. Энергетические возможности мгд эффекта Список использованных источников
Главная » Инструменты » Способ получения кислорода и водорода. Энергетические возможности мгд эффекта Список использованных источников

Способ получения кислорода и водорода. Энергетические возможности мгд эффекта Список использованных источников

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2013, том 49, № 4, с. 348-354

УДК 544.431.134:544.032.53

ИОННЫЙ ПЕРЕНОС В ПОТОКЕ ЭЛЕКТРОЛИТА ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

© 2013 г. С. А. Некрасов1

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт), Россия Поступила в редакцию 11.07.2011 г.

Решены задачи о распределении концентраций ионов, электрического поля и силы Лоренца в потоке раствора электролита при воздействии стороннего магнитного поля. Установлено существование диффузного ионного слоя в омагничиваемом потоке разбавленного электролита и исследованы его характеристики.

Ключевые слова: поток электролита, магнитное поле, ионный перенос, двойной электрический слой БО1: 10.7868/80424857012120109

ВВЕДЕНИЕ

При движении раствора электролита в магнитном поле возникает явление направленного перемещения ионов внутри раствора, вызываемое силами Лоренца . Данное явление нашло широкое практическое применение, однако его теоретическое изучение еще не завершено . В работах моделирование процессов переноса в проводящих растворах осуществляется на основе МГД-приближения (учитывается влияние магнитного поля только на среднемассовую скорость движения частиц жидкости). В рассмотрена упрощенная модель, хотя в этой работе и отмечается, что влияние стороннего магнитного поля на процессы переноса массы может быть значительным. В статьях дополнительно учитываются диффузия ионов из-за градиентов концентрации, ионное скольжение (различие массовых скоростей ионов), конвекция.

В содержится пространный обзор моделей для расчета процессов переноса в проводящих жидкостях с учетом электрического, магнитного и температурного полей. В основу расчета положена система МГД-уравнений, дополнительно учитывается диффузия ионов, отмечено, что значительную роль могут играть двойные ионные слои на границе канала, но модели и методы расчета процессов с учетом этих слоев не рассматриваются.

Следует также отметить, что в работах , как правило, накладывается требование электро-

нейтральности в каждой точке объема раствора. Подобное допущение не приемлемо во всех случаях, так как не позволяет моделировать двойной ионный слой, который создается в результате дисбаланса плотностей зарядов разного знака.

В предлагаемой статье на основе приближенного аналитического метода осуществляется расчет самосогласованного электрического поля (т.е. с учетом взаимовлияния распределений плотности объемного заряда и электрического поля) для пространственного изотермического случая на основе уравнений диффузии ионов в поле сил Лоренца с учетом распределения магнитной индукции, формы сечения канала, профиля скоростей в потоке раствора. Применяемый метод линеаризации имеет ряд отличий от применяемых в методов. По причине высокой точности и значительному упрощению системы уравнений рассматриваемый в статье метод является высокоэффективным и применим для анализа весьма широкого круга явлений переноса ионов в электрическом и магнитном полях с учетом диффузии и двойного ионного слоя.

В результате исследования автором установлено, что массо- и электроперенос в растворах при воздействии магнитного поля может сопровождаться образованием микроскопического ионного слоя на границе раствора электролита (со стенками канала или емкости). Структура данного ионного слоя во многом подобна структуре двойного электрического слоя, однако существенно менее изучена. Об этом свидетельствует тот факт, что в известных моделях и описаниях систем магнитной обработки водных растворов явление об-

разования ионного слоя на межфазных границах игнорируется. Диффузный ионный слой в исследуемой системе отличается от классического двойного электрического слоя тем, что объемные и поверхностные эффекты могут вносить вклад одного порядка. В рассматриваемой модели предполагается, что стенки канала состоят из диэлектрика, химически инертного по отношению к раствору, турбулентности в потоке жидкости отсутствуют, раствор является разбавленным.

ОСНОВНЫЕ СООТНОШЕНИЯ МОДЕЛИ

Скорость дрейфа ионов к-го сорта может быть записана в виде

Vк = V0 + ък [^гаё(къТ 1пСк) + fk], к = 1,...,N, (1)

где у0 - среднемассовая скорость потока раствора, Ьк - подвижность ионов, ск - их концентрация, fк ~ дк (Е + V0 х В) - сила Лоренца, действующая на ионы к-го сорта, qk - их заряд (предполага-

ется, что

< 1), Е - вектор напряженности

^ + ^У (Ск "V о)

АСк - ^ё1у[Ск (Е + Vо х В)],

твора равен : Б ~ е

В предположении стационарности электрическое поле в объеме движущегося раствора в неподвижной системе отсчета является потенциальным: Е = -gгadф, где скалярный электрический потенциал ф удовлетворяет уравнению Пуассона:

N С \ Дф = Ш + 11 -11ё1у (V0 X В).

Вне объема раствора электрическое поле также является стационарным, потенциальным и конечным, а скалярный электрический потенциал фе является решением уравнения Лапласа:

электрического поля, В - вектор магнитной индукции; N - общее число сортов ионов или других заряженных (например, коллоидных) частиц в растворе, кБ - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура раствора.

Подставляя (1) в уравнения неразрывности: дск\д1 + ёгу (скVк) = 0, к = 1, ..., N, с учетом соотношения Эйнштейна получаем уравнения переноса ионов :

При известном поле скоростей в потоке система (1)-(4) замыкается соответствующими краевыми условиями на границе объема раствора и начальными условиями. В методических целях, чтобы не усложнять модель второстепенными техническими деталями, будем предполагать, что стенки канала и внешняя среда являются диэлектриками с одинаковыми проницаемостями ег = 1. Для потока водного раствора адекватным является краевое условие прилипания, выражающееся в равенстве нулю скорости потока вблизи стенок. С учетом сделанных допущений соответствующие краевые условия формулируются в следующем виде:

Vкп = 0, к = 1,...,N, ф = фe,

где? - время; предполагается, что подвижности Ьк и коэффициенты диффузии ионов Бк к-го сорта постоянны. Уравнения выполняются для области, занятой раствором. Индукция В считается равной величине стороннего магнитного поля, что практически всегда выполняется с высокой точностью. Будем рассматривать неподвижную систему отсчета, в которой вектор электрического смещения для точек объема движущегося рас-

абсолютная, бг - относительная диэлектрическая, - относительная магнитная проницаемости раствора. Значение цг, как правило, близко к единице. Для разбавленных водных растворов в широком диапазоне частот поля бг « 80. Слагаемые в выражении вектора электрического смещения имеют один порядок величины.

где б0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, п - вектор внешней по отношению к объему раствора нормали к стенке канала, а - поверхностная плотность заряда на стенках канала, обусловленная явлением специфической адсорбции.

Электрическая напряженность при бесконечном удалении от объема раствора стремится к нулю. Начальные условия могут быть заданы в виде значений концентраций ионов в начальный момент времени.

ЛИНЕАРИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ И ЕЕ ОБОСНОВАНИЕ

Сложность практического решения системы (1)-(5) связана с нелинейностью уравнения (2), а также существенной неоднородностью распределений концентраций ионов и электрического поля. Исследование системы и ее решения позволили установить, что в тонком пристеночном слое толщиной порядка дебаевского радиуса формируется область пространственного заряда, экранирующего в объеме раствора потенциальную

компоненту силы Лоренца. При удалении от стенок канала происходит релаксация пространственного заряда, поэтому основной объем раствора является квазинейтральным, ионные токи в нем циркулируют по замкнутым траекториям. Величина дебаевского радиуса даже для дистиллированной воды не превосходит 1 мкм.

Оценочные расчеты показывают, что для водных растворов плотность объемного заряда практически всегда много меньше, чем парциальные плотности заряда ионов в объеме раствора. Эту особенность можно использовать для построения эффективного метода решения сформулированной системы, который основан на ее линеаризации в соответствии с приближенным равенством: Шу(ек{к) « к = 1,...,N где си - исходные

концентрации ионов в объеме электролита.

Вначале опробуем данный метод на примере расчета плоского равновесного двойного электрического слоя в бинарном электролите. Соответствующая система уравнений для концентраций ионов и электрического поля имеет вид:

д(СЕ _ 0, х > 0;

дх кБТ дх д 2ф _ _ -(с + - с) дх2 е

С ±Е _ 0, ф_ и, х _ 0;

с± ^ с0, ф ^ 0, х ^ да,

где и - падение напряжения, падающее в двойном электрическом слое, с± -концентрации положительных и отрицательных ионов в двойном электрическом слое, с0 - значение концентрации ионов в объеме электролита, q - величина абсолютного заряда ионов.

Рассматриваемая система уравнений соответствует модели Гуи-Чапмена . Ее точное решение находится аналитически и может быть записано в виде:

с = Coexp|+-i-!-

с1Ы 1 exp (х I + 1

с1Ь| -ЯЕ- 1 exp(I- 1

где ё - дебаевский радиус раствора, равный

Исследуем погрешность линеаризации, для чего осуществим следующие преобразования с учетом исходной системы уравнений:

Шу (с ±Е) = с0ШуЕ + Шу [(с± - с0) Е] =

где р = - (с + - с) - плотность объемного заряда. Линеаризация заключается в отбрасывании второго слагаемого (записанного в скобках). После ряда технических преобразований находим, что относительная погрешность линеаризации для каждого из уравнений диффузии ионов разного знака оценивается сверху величиной:

2-и exp| + 2Т

На практике для расчета поля требуется знать только плотность объемного заряда р, а не в

БУНД А., КОШИЧОВ Д., МУТШКЕ Г., ФРЁЛИХ Д., ЯНГ К. - 2012 г.

  • ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ АСИММЕТРИИ ТРАНСПОРТНЫХ СВОЙСТВ МОДИФИЦИРОВАННЫХ УЛЬТРАФИЛЬТРАЦИОННЫХ МЕМБРАН

    ВАСИН С.И., КАСПЕРЧИК В.П., КОНОНЕНКО Н.А., ФИЛИППОВ А.Н., ЧЕРНЯЕВА М.А., ЯСКЕВИЧ А.Л. - 2010 г.

  • УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕКТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, соаёржашиб источмж питания, прозрачную емкость с электролите, магнит и связанные с истс«яиком питания электрощл, о т л н ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения наглядности, «лкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегород. ку из электропроводного матертала, раэаелякяную емкость на два сообшаюшюсся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу истсзчннка. &)

    СОЮЗ СОВЕТСНИХ

    РЕСПУБЛИН

    „.Я0„„1 027754

    ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

    ГЮ ДЕЛ4М ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ

    ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

    К. ABTOPCHQMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

    {2 1) 340О847/28-12

    {22) 22.02..82 (4б) 07.07.83. Бюл. No 25 (72) Д. С. Кройтор

    { 71) Кишиневский государственный медицинский институт (53) б58,686.06 (068.8) (56) 1. Марголис А. А., Парфентьева Н. Е., Иванова А. А. Практикум ла физическому эксперименту. М., Просвещение," 1&77, с. 212, рис. 22-10. (54)(57) УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕ

    МОНСТРАЦИИ ДВИЖЕНИЯ ИОНОВ ЭЛЕ,КТРОЛИТА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, с с

    Держаший источник литания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и -связанные с источником питания электроды, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с пелью повьпцения наглядности, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов источника питания и расположенную в ней перегородку из электропроводного материала, раз-деляющую емкость на. два сообшающнхся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости параллельно перегородке и подключены к второму полюсу источника.

    Изобретение относится к демонстрационным приборам и наглядным пособиям для применения в учебном. процессе, в; частности к приборам по физике.

    Известен прибор для демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле. Прибор выполнен следующим абра; зом. На кольцевые керамические магниты поставлен плоский стеклянный сосуд, например кристаллизатор, внутрь которого 10 вставлены два электрода (кольцевой и центральный прямолинейный). В сосуд налит pacmop медного купороса тек, . чтобы уровень жидкости был ниже края сосуда на несколько миллиметров. На!5 поверхности жидкости плавает ликоподий или пробковая пыль. При процускании через электролит тока ионы при своем движении отклоняются магнитным полем и жидкость между электродамн приходит 0 во вращение, увлекая за собой плавающие материалы 1 .

    Недостатком этого прибора является малая наглядность демонстрации при проведении опыта в большой аудитории.Цель изобретения — повышение наглядности демонстрации движения ионов электролита в магнитном поле.

    Указанная цель достигается тем, что

    ; s приборе для демонстрации движения 30 иойов электролита в магнитном поле, содержащем источник питания, прозрачную емкость с электролитом, магнит и связанные с источником питания электроды, емкость имеет прямоугольное сечение и подключенную к одному из полюсов ис точника питания и расположенную в ней 1 перегородку из электропроводного материа ла, разделяющую емкость íà два сообщающихся сосуда, электроды расположены на внутренних стенках емкости паралхиль но перегородке и подключены к второму полюсу источника.

    На фиг. l. изображен прибор, общий вид„на фиг. 2 - то же, поперечный раз 45 резу

    Прибор содержит емкость 1 прямоугольного сечения из органического стек= ла. Перегородка 2 из электропроводного материала делит ее на две части, но йе доходит до дна, образуя тем самым два сообщающихся сосуда 3 и 4. К боковым стенкам емкости 1 с внутренней стороны параллельно перегородке укреплены два электрода 5 и 6. Емкость 1 фиксируют между полюсами электромагнита. Один полюс постоянного источника тока подключают к перегородке 2, а другой — к боковым электродам 5 и 6. ,Пля проведения опыта в емкость 1 наливают раствор медного купороса так, чтобы уровень жидкости был на 5-7 см ниже края сосуда. Затем включают электр

    poMBI íèò и наблюдают, что жидкость в сосудах 3 и 4 остается на том же уровне.

    При подключении источника постоянного така (соблюдая полярность, указанную на фиг. 1), плавно увеличивая вели яну тока, получают плавное изменение уровня жид кости в сосудах 3 и 4. Сила, действующая на ионный йоток в левом сосуде 3, направлена вниз, а в правом сосуде 4вверх. В результат ге этого эффект дейсз вия магнитного ноля удваивается и уровещ жидкости при достижении величины тока в 5 А в левом сосуде 3 окажется ниже уровня, чем s правом на 4-5 см, При плавном понижении величины тока жидкость в сосудах 3 и 4 возвращается

    K прежнему, одинаковому уровню., Затем повторяют опыт при перемене полярности и уровень жидкости в правом сосуде 4 становится ниже, чем в левом 3.

    Изобретение позволяет повысить нагпядиость демонстрации и, тем самым, повысить качество усвоения учебного материала и эффективность использования пособия в учебном процессе.

    Изобретение относится к электрохимическому производству, в частности к электролизу.
    Наиболее близким изобретением является способ магнитодинамического автоэлектролиза, выбранный в качестве прототипа.
    На электрохимическую систему, содержащую электроды и электролит, воздействуют внешним магнитным полем, ортогональным контурам электродов. Причем осуществляют вращение источников магнитного поля в плоскостях, параллельных контурам электродов. Благодаря этому осуществляют относительно движение ионов диссоциированного электролита в магнитном поле, перпендикулярном направлению движения. На заряды (разнополярные ионы), движущиеся относительно магнитного поля действует сила, которая направлена перпендикулярно к плоскости векторов магнитной индукции и скорости относительного движения. При относительном движении по окружности направление силы Лоренца, как и направление перемещения ионов (ионного тока), ортогонально вектору линейной скорости относительного движения и происходит в соответствии со знаком заряда в направлении радиуса-вектора к противоположным контурным электродам. В результате этого происходит поляризация электродов, причем разность потенциалов между ними при достаточных значениях линейной скорости и магнитной индукции достигает напряжения разложения электролита, что приводит к протеканию электрического тока в электрохимической системе к электролизу. Сущность электролиза, происходящего на электродах в описанном способе, не отличается от традиционного электролиза, когда электроды подключены к внешнему источнику напряжения.
    В способе для повышения эффективности процесса отражены различные возможности относительного перемещения электролита в магнитном поле, в том числе и в совокупности с прокачиванием. Он предназначен для разложения воды, с целью получения экологически чистого топлива водорода. Данным способом можно разложить электролит, не прибегая к окольному пути получения постоянного напряжения для электролиза, связанному со значительными потерями при преобразовании механического движения в электроэнергию с помощью электрогенератора. Благодаря этому не только повышается эффективность электрохимического производства, но и снижаются затраты на оборудование.
    Несмотря на то, что экономически выгоднее проводить электролиз описанным способом в сравнении с обычным электролизом, ему присущи определенные недостатки. Они связаны с необходимостью либо прокачивания электролита, либо вращения системы постоянных магнитов, ввиду того, что данный способ является динамическим. Это ведет к усложнению способа при его реализации вследствие использования двигательной для вращения системы постоянных магнитов или прокачивания электролита, специальных насосов для работы в агрессивных средах, а также ведет к трудностям надежного крепления массивных постоянных магнитов во вращающейся системе, балансировки такой системы и герметизации токовыводов, и напорных трубопроводов.
    Целью предлагаемого изобретения является упрощение способа при одновременном увеличении производительности процесса.
    Поставленная цель достигается тем, что в известном способе магнитоиндуцируемого электролиза, включающем воздействие на электрохимическую систему магнитным полем, ортогональным плоскости электродов, используют переменное магнитное поле.
    В предлагаемом способе магнитоиндуцируемый электролиз осуществляют в статической магнитоэлектрохимической системе в неподвижном электролите с помощью неподвижного источника магнитного поля за счет создания переменного магнитного поля.
    В отличие от этого, в известном способе электролиз осуществляют в динамической электрохимической системе при относительном движении электролита и источника постоянного магнитного поля. При этом разность потенциалов на электродах для электролиза получают в предложенном способе за счет ЭДС магнитной индукции, возникающей в электродах, тогда как в известном способе разность потенциалов на электродах получают за счет их поляризации ионным током, возникающим в электролите вследствие действия силы Лоренца на перемещаемые в магнитном поле ионы.
    В соответствии с предложенным способом в электрохимической системе, содержащей неизолированные контурные электроды и электролит, создают переменное магнитное поле с противоположным направлением внутри и вне контуров и одинаковым для всех электродов, чем обеспечивают однонаправленный индукционный ток в соответственных участках всех соседних контуров, образующих элементарную электрохимическую ячейку, и ЭДС индукции между этими контурами электродов, достигающую напряжения разложения электролита. При этом в контурах создается электронный ток магнитной индукции, на их поверхности происходит электролиз, а в электролите между соседними участками электрода протекает ионный ток за счет ЭДС магнитной индукции в контуре электрода. То есть электролит является распределенной вдоль контура электрода электрической нагрузкой.
    Сущность предложенного способа заключается в преимущественном взаимодействии внешнего магнитного поля с электродами электрохимической системы в виде разомкнутых контуров из проводника первого рода, носителями зарядов в котором являются электроны, и пренебрежимом взаимодействии с окружающим неизолированные электроды неподвижным электролитом-проводником второго рода, носителями зарядов в котором являются ионы. Способ основан на известном физическом явлении электромагнитной индукции, при котором в контуре проводника, помещенном в переменное магнитное поле, возникает электродвижущая сила ЭДС индукции. Если контуром является, например, разомкнутая концентрическая неизолированная спираль, то в ней возникает распределенная межконтурная разность потенциалов, равная ЭДС индукции контура или контуров.
    Плотность тока в контуре, вызванная электрическим полем в проводнике, выражается j nev neuE, где n число носителей зарядов в единице объема, е заряд носителя, v средняя скорость их упорядоченного перемещения, u электрическая подвижность заряда, Е напряженность электрического поля. Вместе с тем известно, что подвижность свободных электронов в проводнике первого рода, например, в меди, примерно в 10 4 раз выше подвижности ионов Н + и ОН - в электролите проводнике второго рода, а их концентрация превышает концентрацию этих ионов (в случае 35% раствора КОН) примерно в 20 раз, что обуславливает преимущественное взаимодействие переменного магнитного поля с проводником первого рода.
    С помощью предложенного способа просто осуществить электролиз в полностью замкнутом объеме статической магнитоэлектрохимической системы без подвода извне электрического тока к электродам. Магнитоиндуцируемый электролиз осуществляется следующим образом. Переменное магнитное поле индукции пронизывает контурные электроды, в них индуцируется межконтурная распределенная разность потенциалов, в электролите создается ионный ток и на электродах протекают электрохимические реакции с выделением газообразных продуктов, например, в случае электролиза воды. Диод позволяет вести электролиз в импульсном режиме.
    Сущность способа можно проиллюстрировать на примере электролиза 35% раствора едкого кали, с целью получения водорода и кислорода или их смеси. Электрохимическая система содержит неизолированные электроды в виде медной никелированной цилиндрической спирали, концы витков которой соединены перемычкой из электронного проводника или диода. Электроды помещались в тороидальную диэлектрическую емкость, заполненную электролитом, а сам тороид располагался на магнитопроводе, имеющем первичную обмотку. Первичная обмотка подключалась к промышленной сети и в электрохимической системе создавалось переменное магнитное поле.
    П р и м е р 1. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 50 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 10 мТ. Сечение магнитопровода составляло 75 см 2 . Расстояние между электродами равнялось примерно 1 мм. Электрод представлял из себя спираль из медной никелированной шинки, содержащей 100 витков (контуров). На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5 ± 0,1 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор КОН, осуществили электролиз с выделением с 10 см 2 поверхности 0,38 л кислородно-водородной смеси в час, что в пересчете на 1 м 2 поверхности составит 0,38 м 3 /ч. В прототипе выход кислородно-водородной смеси с 1 м 2 поверхности электрода составляет 0,192 м 3 /ч.
    П р и м е р 2. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 500 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 12 см 2 , расстояние между электродами 10 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукция 2,5 + 0,1 В. С 1 м 2 поверхности электрода при этом выделяется 0,9 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
    П р и м е р 3. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение частотой 1000 Гц, создаем в магнитопроводе магнитное поле с индукцией 1,4 Т. Расстояние между электродами составляло 20 мм. Каждый электрод состоял из одного контура. На электродах реализовалась ЭДС индукции 5,0 + 0,2 В. С 1 м 2 поверхности при этом выделяется 1,4 м 3 /ч кислородно-водородной смеси.
    П р и м е р 4. Условия эксперимента такие же, как в примере 1, но начало и конец контурных электродов соединены с помощью диода. Поэтому реализуется электролиз импульсным током, благодаря чему на определенных участках электродов протекают либо катодные, либо анодные процессы. При этом повышается доля тока, идущая на фарадеевский процесс за счет уменьшения емкостного тока. Результатом является повышение выхода продукта до 0,96 м 3 /ч с 1 м 2 поверхности электрода или на 7+ 0,2%
    П р и м е р 5. Подавая на первичную обмотку регулируемое напряжение с частотой 1 Гц, создаем в области электродов переменное магнитное поле со средним значением магнитной индукции 1 Т. Сечение магнитопровода составляло 33 см 2 . Расстояние между электродами составляло 2 мм. Электрод содержал 100 витков с площадью 100 см 2 . На электродах реализовалась ЭДС индукции 1,5+ 0,2 В. Поместив электродную систему в емкость, содержащую 35% раствор едкого кали, осуществили электролиз с выделением за 1 ч 0,26 л водородно-кислородной смеси, что в пересчете на 1 м 2 поверхности электродов составит 0,26 м 3 /ч. В прототипе выход газовой смеси составляет с 1 м 2 поверхности электрода 0,192 м 3 /ч.
    Таким образом, заявленный способ в сравнении с прототипом обладает рядом преимуществ: является статическим и не требует ни перемещения электролита, ни вращения источников магнитного поля, что ведет к упрощению способа, т.е. достижению поставленной цели. Возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле

    Описание

    Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, т.е. на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы и ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

    Если проводником является жидкость, то генерирование электроэнергии идет только вследствие преобразования части кинетической или потенциальной энергии потока электропроводной жидкости практически при постоянной температуре.

    На рис. 1 показан принцип действия МГД генератора, где указано направление магнитного поля В , приложенного к проводнику (движущемуся электролиту, металлу, ионизированному газу, плазме) со скоростью V .

    Принцип действия МГД генератора

    Рис. 1

    Электрическая энергия снимается с концов электродов (кондукционные МГД генераторы), контактирующих с движущейся токопроводящей средой (на рис. 1 показано сопротивление нагрузки R ) или с помощью индуктивной связи потока с цепью нагрузки (индукционные МГД генераторы).

    Временные характеристики

    Время инициации (log to от -9 до -6);

    Время существования (log tc от -6 до 15);

    Время деградации (log td от -9 до -6);

    Время оптимального проявления (log tk от -8 до -6).

    Диаграмма:

    Технические реализации эффекта

    Линейный фарадеевский секционированный МГД - генератор

    Техническая реализация - схема линейного фарадеевского секционированного МГД - генератора - показана на рис. 2.

    Линейный МГД генератор

    Рис. 2

    Обозначения:

    2 - электроды;

    3 - межэлектродные изоляторы;

    4 - боковые изоляционные стенки;

    5 - сопротивления нагрузки; стрелками указано направление тока в нагрузке

    Применение эффекта

    МГД эффект используется в электрореактивных ракетных двигателях, в расходомерах электропроводящих жидкостей, в магнитогидродинамических генераторах электроэнергии, в которых осуществляется прямой переход тепловой энергии в электрическую. Основное преимущество МГД - генераторов перед тепловыми (например, газовыми турбинами) состоит в том, что плазма имеет высокую температуру, а это приводит к повышению КПД.

    Природа нам приготовила несметное количество электроэнергии. Огромная ее часть сосредоточена в мировом океане. В Мировом Океане скрыты колоссальные запасы энергии . Пока что люди умеют использовать лишь ничтожные доли этой энергии, да и то ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений, так что такая энергетика до сих пор казалась малоперспективной. Однако происходящее весьма быстрое истощение запасов ископаемого топлива, использование которого к тому же связано с существенным загрязнением окружающей среды заставляет ученых и инженеров уделять все большее внимание поискам безвредных источников энергии, например энергии в Мировом океане. Океан таит в себе несколько различных видов энергии: энергию приливов и отливов, океанских течений, термальную энергию, и др. Кроме этого, морская вода – природный электролит и содержит в 1 л несметное количество разных ионов, к примеру, положительных ионов натрия и отрицательных ионов хлора. Заманчивой становится перспектива – поставить такое устройство в природный нескончаемый поток естественных морских течений и получать в результате недорогую электроэнергию из морской воды и передавать ее на берег. Одним из таких устройств может стать генератор, в котором используется магнитогидродинамический эффект. Это и стало темой исследования : “Энергетические возможности магнитогидродинамического эффекта”.

    Целью исследования является описание, демонстрация и возможности использования магнитогидродинамического эффекта. Объектом исследования является: движение заряженных частиц в магнитном поле. Предмет исследования : магнитогидродинамический эффект, магнитогидродинамический генератор.

    Для реализации поставленной цели решались следующие задачи :
    1. Провести историко–логический анализ учебных, научных, научно–популярных источников информации.
    2. Выявить физические законы, принципы, которые объясняют, в чем заключается магнитогидродинамический эффект.
    3. Выявление возможностей использования МГД–эффекта в качестве энергетического ресурса.
    4. Изготовить модель, демонстрирующую магнитогидродинамический эффект.

    Для наиболее эффективного решения поставленных задач использовались следующие методы исследования : изучение источников информации, анализ, метод обобщений, эксперимент.

    ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    Магнитогидродинамический эффект - возникновение электрического поля и электрического тока при движении электропроводной жидкости или ионизированного газа в магнитном поле. Магнитогидродинамический эффект основан на явлении электромагнитной индукции, то есть на возникновении тока в проводнике, пересекающем силовые линии магнитного поля. В данном случае, проводниками являются электролиты, жидкие металлы или ионизированные газы (плазма). При движении поперек магнитного поля в них возникают противоположно направленные потоки носителей зарядов противоположных знаков. На основе магнитогидродинамического эффекта созданы устройства - магнитогидродинамические генераторы (МГД–генераторы), которые относятся к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

    МГД–генератор – это энергетическая установка, в которой тепловая энергия рабочего тела (электролита, жидкого металла или плазмы) преобразуется непосредственно в электрическую. Еще в 1832 году Майкл Фарадей пытался обнаружить ЭДС между электродами, опущенными в реку Темзу (в потоке речной воды есть ионы растворённых солей, движущиеся в магнитном поле Земли), но чувствительность измерительных приборов была слишком мала, чтобы обнаружить ЭДС. А в 1970–80– е годы возлагались большие надежды на создание промышленных МГД–генераторов, использующих плазму (поток ионизированного газа), велись многочисленные разработки, строились экспериментальные МГД–генераторы, но постепенно всё затихло.

    Достаточно подробно о принципе работы МГД–генераторов рассказывается в одном из выпусков журнала “Двигатель” .
    С одной стороны, МГД – генераторы имеют широкие возможности применения, с другой стороны, они не очень распространены. Попробуем разобраться в этом вопросе. Изучив соответствующую литературу , мы составили список преимуществ и недостатков МГД–генераторов.

    Преимущества МГД–генераторов

    * Очень высокая мощность, до нескольких мегаватт на не очень большую установку
    * В нём не используются вращающиеся детали, следовательно, отсутствуют потери на трение.
    * Рассматриваемые генераторы являются объемными машинами - в них протекают объемные процессы. С увеличением объема уменьшается роль нежелательных поверхностных процессов (загрязнения, токов утечки). В то же время увеличение объема, а с ним и мощности генератора практически ничем не ограничено (и 2 ГВт, и более), что соответствует тенденции роста мощности единичных агрегатов.
    * При более высоком к.п.д. МГД-генераторов существенно уменьшается выброс вредных веществ, которые обычно содержатся в отработанных газах.
    * Большой успех в технической отработке использования МГД - генераторов для производства электрической энергии был достигнут благодаря комбинации магнитогидродинамической ступени с котельным агрегатом. В этом случае горячие газы, пройдя через генератор, не выбрасываются в трубу, а обогревают парогенераторы ТЭС, перед которыми помещена МГД - ступень. Общий КПД таких электростанций достигают небывалой величины - 65%
    * Высокая маневренность

    Недостатки МГД–генераторов

    * Необходимость применения сверх жаропрочных материалов. Угроза расплавления. Температура 2000 – 3000 К. Химически активный и горячий ветер имеет скорость 1000 – 2000 м/с
    * Генератор вырабатывает только постоянный ток. Создание эффективного электрического инвертора для преобразования постоянного тока в переменный.
    * Среда в МГД-генераторе с открытым циклом – химически активные продукты сгорания топлива. В МГД-генераторе с замкнутым циклом – хотя и химически неактивные инертные газы, но зато очень химически активная примесь (цезий)
    * Рабочее тело попадает в так называемый МГД-канал, где и происходит возникновение электродвижущей силы. Канал может быть трех видов. Надежность и продолжительность работы электродов - общая проблема всех каналов. При температуре среды в несколько тысяч градусов электроды весьма недолговечны.
    * Несмотря на то, что генерируемая мощность пропорциональна квадрату индукции магнитного поля, для промышленных установок требуются очень мощные магнитные системы, гораздо более мощные, чем опытные.
    * При температуре газа ниже 2000° С в нем остается так мало свободных электронов, что для использования в генераторе она уже не годится. Чтобы не расходовать зря тепло, поток газа пропускают через теплообменники. В них тепло передается воде, а образовавшийся пар подается в паровую турбину.
    * На данный момент наиболее широко изучены и разработаны плазменные МГД-генераторы. Информации о МГД-генераторах, использующих в качестве рабочего тела морскую воду, не найдено.

    Из этого списка видно, что имеется целый ряд проблем, который еще необходимо преодолеть. Эти трудности решаются многими остроумными способами.

    В целом этап концептуальных поисков в области МГД–генераторов в основном пройден. Еще в шестидесятых годах прошлого века были проведены основные теоретические и экспериментальные исследования, созданы лабораторные установки. Результаты исследований и накопленный инженерный опыт позволили российским ученым в 1965 г. ввести в действие комплексную модельную энергетическую установку “У–02”, работавшую на природном топливе. Несколько позднее было начато проектирование опытно–промышленной МГД–установки “У–25”, которое проводилось одновременно с исследовательскими работами на “У–02”. Успешный пуск этой первой опытно–промышленной энергетической установки, имевшей расчетную мощность 25 МВт, состоялся в 1971 г.

    В настоящее время на Рязанской ГРЭС используется головной МГД–энергоблок 500 МВт, включающий МГД–генератор мощностью около 300 МВт и паротурбинную часть мощностью 315 МВт с турбиной К–300–240. При установленной мощности свыше 610 МВт выдача мощности МГД–энергоблока в систему составляет 500 МВт за счет значительного расхода энергии на собственные нужды в МГД–части. Коэффициент полезного действия МГД–500 превышает 45 %, удельный расход условного топлива составит примерно 270 г/(кВт–ч). Головной МГД–энергоблок запроектирован на использование природного газа, в дальнейшем предполагается переход на твердое топливо. Исследования и разработки МГД–генераторов широко развёрнуты в США, Японии, Нидерландах, Индии и др. странах. В США эксплуатируется опытная МГД–установка на угле тепловой мощностью 50 МВт. Все перечисленные МГД–генераторы используют плазму в качестве рабочего тела. Хотя, на наш взгляд, можно использовать в качестве электролита и морскую воду. В качестве примера нами проделан эксперимент, демонстрирующий МГД–эффект. Для того, чтобы продемонстрировать энергетические возможности МГД–генератора изготовлена лодка на МГД приводе.

    ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

    Продемонстрировать МГД–эффект можно используя следующий набор материалов :
    1. Магнит;
    2. Соль;
    3. Перец;
    4. Батарейка;
    5. Медные провода.

    Ход работы:
    1. Делаем водный раствор соли и добавляем перец. Это необходимо для того, чтобы было видно движение потоков жидкости.
    2. Ставим небольшой сосуд с приготовленным раствором на магнит.
    3. Опускаем концы медной проволоки, присоединенные другими концами к полюсам батарейки, в приготовленный раствор (фото 1).
    4. Наблюдаем движение потоков жидкости между концами медной проволоки.

    Лодка будет перемещаться за счет движения электролита в магнитном поле.
    Таким образом, можно сделать вывод о том, что МГД–электричество, несмотря на все трудности, придет на службу человеку и люди научатся использовать в полной мере энергию океана. Ведь это просто необходимо современному человечеству, потому что запасы ископаемого топлива по расчетам ученых заканчиваются буквально на глазах у ныне живущих обитателей планеты Земля!

    Литература

    1. Володин В., Хазановская П. Энергия, век двадцать первый.– М.: Детская литература, 1989.– 142 с.
    2. http://ru.wikipedia.org/ – свободная энциклопедия
    3. http://www.naukadv.ru – сайт “Физика машин”
    4. Касьян А. Напряжение плазменного смерча или просто – о МГД–генераторе //Двигатель, 2005, № 6
    5. Магомедов А.М. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. – Махачкала: Издательско–полиграфическое объединение “Юпитер”, 1996
    6. Ашкинази Л. МГД–генератор //Квант, 1980, № 11, С. 2–8
    7. Кириллин В.А. Энергетика. Главные проблемы. – Москва: Знание, 1990 – 128 с.
    8. http://how-make.ru – Сайт для любителей мастерить своими руками.

    Работу выполнила:

    Володенок Анастасия Викторовна, ученица 10 класса

    Руководитель:

    Филатова Надежда Олеговна, к.п.н., учитель физики

    МОУ Сибирский лицей
    г. Томск



    Предыдущая статья: Следующая статья:

    © 2015 .
    О сайте | Контакты
    | Карта сайта