Metoda magnetohidrodinamic de producere a energiei electrice Metoda magnetohidrodinamic de producere a energiei electrice reprezint o nou soluie care permite realizarea unor centrale mari (de ordinul miilor de megawai), cu randamente globale ridicate (peste 55%).Principiul metodei hidrodinamice de producerea a energiei electrice. Se tie c ntr-un corp conductor, care se deplaseaz ntr-un cmp magnetic, se introduce o tensiune elctromotoare. Faraday a artat c acelai lucru se poate obine dac n locul conductorului solid se utilizeaz un conductor lichid (exeplu, mercur). n generatoarele clasice de curent electric, corpurile n care se induc tensiuni electromotoare snt bobinele sin cupru dispuse pe armtura indusului (stator sau rotor), micarea necesar a rotorului realizndu-se cu diferite motoare primare, hidraulice sau termice.Din termodinamic se cunoate c randamentul unui motor termic este cu att mai mare cu ct, celelate condiii rmnnd neschimbate, temperatura iniial a fluidului de lucru (temperatura sursei calde din ciclul Carnot) este mai nalt i cu ct este mai joas temperatura final a fluidului de lucru (temperatura sursei reci din ciclul Carnot). Limita temperaturii joase este n general impus de mediul n care lucreaz motorul termic considerat. Limita superioar a temperaturii depinde de natura combustibilului i de modul de ntrebuinare. Cu metodele actuale de ardere i combustibilii actuali, se pot atinge temperaturi de 2800 3500 K. Totui, utilizarea unor astfel de temperaturi nalte n motoarele termice actuale nu este posibil att din cauza solicitrilor termice mari, care reduce durata de funcionare. Aceasta se refer i la materialele cu cele mai bune proprieti n acest domeniu.Piesele n micare n motoarele termice mrginesc posibilitatea mririi randamentului, la transformarea energiei chimice, rezultate prin arderea combustibilului, n energie electric.Motoarele termice cu pri n micare pot fi excluse di producia de energie electric, dac se schimb procesul de peroducere a energiei electrice, i anume conductoarele metalice n micare relativ fa de cmpul electric pot fi nlocuite printr-un fluid (gaz sau lichid) bun conductor de electricitate.Generatorul de energie electric la care conductorul mobil este un fluid (gaz sau lichid) bun conductor de electricitate se numete generator magnetohidrodinamic, pe scurt MHD.n condiii obinuite , gazele i vaporii nu conduc practic curentul electric. Numai la temperaturi foarte ridicate, de ordinul a 5000-7000 K, n urma ionizrii termice, ele devin suficient de conductoare pentru a satisface condiiile cerute. La temperaturi att de ridicate nu se poate utiliza ns nici unul din metale cu temperaturi nalte de utilizare. Totui, dac n gazul fierbinte se adaug vapori de metale uoare (potasiu, sodiu, cesiu, rubidiu sau oxizi de metale alcaline), la o temperatur mult mai mic, gazul devine suficient de conductor i poate fi utilizat ca fluid de lucru n generatorul MHD.n principiu , tipul cel mai simplu generator MHD este constituit dintr-un canal prin care trece un jet de fluid bun conductor de electricitate. Acest fluid este n general un gaz ionizat, adus n stare de plasm. Fluidul care trece prin canal se afl sub aciunea unui cmp magnetic exterior. Ca urmare a fenomenului de inducie electromagnetic, n fluid se induce o tensiune electromotoare care se culege la un sistem de electrozi dispui perpendicular pe direcia cmpului magnetic i pe direcia jetului. Aceast tensiune electromotoare determin un curent cnd la borne se conecteaz o sarcin. Forele de natur electromagnetic care apar, ca urmare a intereaciunii curentului din fluid cu cmpul magnetic, se opun deplasrii fluidului. Lucrul mecanic necesar nvingerii acestor fore este realizat prin destingerea gazului, deci pe seama energiei termice. Astfel, energia termic a gazului se transform direct n energie electric, ft s fie necesare piese de micare.Cnversiunea MHD poate permite transformarea n energie electric a mai multor forme de energie primar cum snt:a. Energia coninut n combustibili convenionali (crbune, petrol, gaze naturae);b. Energia termic degajat n procese de fisiune nuclear;c. Energia termic degajat n procesele de fiziune nuclear. Avantajele metode. Producerea energie electrice n centralele termice clasice se realizeaz n prezent cu un randament de aproximativ 40%. Mrirea n continuare a acestui randament, prin utilizarea unor temperaturi mai ridicate nu va aduce rezultate prea importante. O mrire important a randamentului se poate realiza utiliznd generatoare MHD. La intrarea n canalul generatorului , gazele au o temperatur ceva mai mare de 2500 K, iar la ieire au o temperatur de aproape 1000 K. Randamentul termodinamic ideal, adic randamentul Carnot este de 60%, de unde va rezulta un randament al centralei de peste 50 %.Se va obine o certere nsemnat a randamentului. Mai mult, se urmrete s se realizeze centrale combinate, unde s se asocieze o central MHD cu o centralp termic clasic, ceea ce este cu adevrat posibil, deoarece temperatura de ieire a gazului din MHD este superioar dect cea ce se utilizeaz la turbinele clasice. De aici reese un randament de circa 55%. Evoluia metodei MHD de producere a energiei electrice. Ideea obinerii de energie electric pe baza metodei magnetohidrodinamice aparine lui Faraday, care n anul 1836 a ncercat s msoare tensiunea electric dintre malurile fluviului tamisa, produs prin micarea apei fluviului n cmp magnetic terestru. n cadrul experimentului nu s-au obinut rezultate importante, deoarece curenii msurai erau foarte mici i n plus nu se putea colecta curentul electric la electrozi. Aici a fost vorba de un fenomen magnetohidrodinamic, deoarece avea loc intereaciunea dintre un fluid n micare i un cmp magnetic.Magnetohidrodinamica studiaz micarea unui fluid conductor n prezena unui cmp magnetic. n anul 1914 fizicianul Harmann a studiat experimental micarea mercurului sub aciunea unor cmpuri electromagnetice i a construit un mic disjunctor, pe baza proprietilor stabile. n 1929 Langmuir s-a ocupat de studiul proprietilor hidrodinamice ale plasmei. Unde plasma u este altceva de ct un gaz cu o ionizare foarte pronunat i de aceea acesta devine un bun conductor de electricitate.Dup cercetrile efectuate asupra fuziunii nucleaze s-a studiat mai amnunit gazele ionizate, deoarece ele erau folosite la construcia pompelor magnetohidrodinamice, care erau utilizate pentru vehicularea metalului lichid. ns numai prin anii 1970 -1975 s-au creat primele prototipe ce generau enegie electric, funcionalitatea unui dintre aceste prototipe a fost de 250 ore cu o putere de 10 MW. Aceste experimente au demonstrat c dezvoltarea c sunt motive multe pentru a produce astfel de generatoare cun un randament mare.Ecuaiile magnetohidrodinamiciiEcuaiile magnetohidrodinamicii, n cazul lichidelor conductoare, rezult din ecuaiile electrodinamicii i ale hidrodinamicii.

Se presupune c nu intervin oscilaii de nalt frecven, deci se va considera regimul cavasistaionar i se vor neglija curenii de deplasare. Se va presupune fluidul amagnetic, deci Legea circuitului magnetic i conservrii sarcinii electrice ntr-un sistem de referin fix i n regim cvasistaionar :

Legea induciei electromagnetice i legea fluxului magnetic ntr-un sistem de referin fix i n regim staionar snt:

ntre intensitile cmpului electric ntr-un punct oarecare al fluidului ntr-un sistem de referin antrenat odat cu fluidul cu viteza i intensitatea n acelai punct , dar n sistemul de referin fix exist relaia unde este viteza fluidului n raport cu sistemul de referin fix. Vactorul este definit ca raportul dintre fora care acioneaz asupra unei sarcini electrice imobile i valoarea acestei sarcini. Vectorul este definit ca raportul dintre fora ce acioneaz asupra unei sarcini sarcini electrice antrenate o dat cu substana cu viteza i valoarea acelei sarcini. Vectorul este numeric egal cu fluxul de inducie magnetic prin unitatea de suprafa imobil.

Leagea lui Ohm, sub form local, se exprim sub forma sau

Ecuaia continuitii fluidului este

unde este masa specific a fluidului.Densitatea de volum a forei electromagnetice care acioneaz asupra fluidului (numeric egal cu fora care acioneaz asupra fluidului din unitatea de volum) este:

sau folosim relaia (1.94)

Se va nota cu densitatea de volum a forei de alt natur, care acioneaz asupra fluidului.Fora de vscozitate corespunztoare unitii de volum este dat de relaia cunoscut din hidrodinamic

unde este vscozitatea cinematic.Din ecuaia micrii (ecuaia Navier-Stokes) rezult:

unde este acceleraia gravitaional.

Suma reprezint densitatea de volum a forelor exterioare care acioneaz asupra fluidului. Dac singura for exterioar este gravitaional, atunci La ecuaiile de mai sus, n cazul lichidelor compresibile sau al gazelor, trebuie adugat ecuaia conversiei energiei

n care creterea de energie corespunztoare fluidului dintr-un volum V este egal cu diferena dintre energia primit de fluid. Mrimea reprezint energia intern corespunztoare unitii de mas schimb de cldur cu exteriorul i transformri ireversibile.Din legea masei rezult:

Dac se presupune c este densitatea de volum a cldurii primite numai prin conductibilitate se poate scrie

deci

Ecuaia care exprim conservarea energiei se paote obine i sub alte forme utile n numeroase aplicaii.

innd seama c pentru unitatea de mas (V este volumul unitii de mas), se obine

Entalpia se va nota cu H, adugndu-i indicele n cazurile cnd intervine simultan i intensitatea cmpului magnetic.Se va presupune c apare cldur numai datorit transformrii ireversibile prin efect Joule-Lenz i exist numai fore de natur electromagnetic. n acest caz, innd seama de relaiile (1.103, 1.92 i 1.96 b),

sau

Dac fluidul este un metal lichid (mercur, sodiu, cesiu), conductibilitatea lui electric nu difer mult de aceea a conductoarelor des folosite n electrotehnic (cupru, aluminiu). Pentru studiul mainilor MHD cu metal lichid, ecuaiile sub forma de mai sus pot fi aplicate direct i studiul nu prezint dificulti deosebite. La mainele MHD la care fluidul este un gaz ionizat, situaia este mai dificil , deoarece conductivitatea electric a gazului ionizat este mult mai mic, depinde foarte mult de temperatur i apar cmpuri electrice imprimate. De aceea problema gazelor ionizate se va considera separat.