Conversione diretta MHD - 8b_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA (ultima modifica 19/12/2017) - Ingegneria dei Sistemi Elettrici
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8b_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA
(ultima modifica 19/12/2017)
Conversione diretta MHD
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 1
Conversione diretta MHD La Magnetoidrodinamica (Magneto hydrodynamics MHD) è la disciplina che studia la dinamica dei fluidi elettricamente conduttivi. Esempi di tali fluidi sono plasmi, i metalli liquidi e l’acqua salata. La parola Magneto Hydrodynamics MHD è derivato da: • Magneto come campo magnetico • Hydro come liquidi e • Dynamics come movimento. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 2
Conversione diretta MHD
Il campo di studio della MHD è stato introdotto nel 1813 dal noto fisico e
chimico britannico Michael Faraday, e quindi sviluppato dal prof. Hannes
Alfvén, ingegnere elettrico svedese e professore universitario della Fisica del
Plasma al Royal Institute of Technology in Stockholm, che per la ricerca e
gli studi fatti sulla MHD ha Ricevuto il Premio Nobel per la Fisica nel 1970.
Michael Faraday Hannes Alfvén
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 3
Conversione diretta MHD
Mediante la conversione diretta MHD è possibile realizzare un generatore in
grado di convertire l’energia termica posseduta da un combustibile direttamente
in energia elettrica senza utilizzare un generatore elettrico convenzionale.
Un sistema di conversione MHD è principalmente costituito da un motore
termico in cui
• il calore ottenuto alla temperatura superiore è parzialmente convertito in
lavoro utile e
• l'energia termica residua in uscita dal sistema MHD viene fornita agli
impianti termici convenzionali.
Come tutti i motori termici, l'efficienza termica di un convertitore MHD
aumenta
• fornendo calore alla massima temperatura ottenibile in pratica e
• cedendo l'energia residua alla temperature minima possibile.
Tmax Tmin
Tmax
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 4
Conversione diretta MHD
L'interesse per la generazione di energia magneto-idrodinamica (MHD) è stato
originariamente stimolato dal fatto che l'interazione del flusso di plasma a
velocità u con un campo magnetico di induzione B potrebbe verificarsi a
temperatura Tmax molto più elevata rispetto a quanto è possibile in una turbina
meccanica rotante con → un miglioramento del processo di produzione.
L’assenza di parti meccaniche in movimento e
la riduzione delle perdite
↓
consentono in questi tipi di dispositivi di sostenere temperature massime Tmax
molto elevate, aumentando così, almeno potenzialmente, l'efficienza.
↓
Ciò comporta un minore consumo di energia primaria e
un investimento inferiore per l’installazione del sistema.
.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 5
Conversione diretta MHD
Inoltre, la miscelazione dei gas di combustione con gas freddo per abbattere la
temperatura non è più necessaria, quindi
↓
la portata totale è limitata e, di conseguenza anche
le dimensioni e il costo globale della centrale sono ridotti.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 6
Conversione diretta MHD • I generatori magnetoidrodinamici sono dispositivi che generano energia elettrica mediante l'interazione di un fluido conduttore in movimento (di solito un fluido ionizzato o plasma, oppure un metallo liquido) e un campo magnetico. • I generatori elettrici magnetoidrodinamici (MHD) forniscono energia elettrica con un impatto ridotto sull'ambiente e ottimi rendimenti • Dagli anni ‘60 molti paesi hanno intrapreso programmi di ricerca nel campo della generazione MHD, con particolare attenzione verso l'uso del carbone, essendo uno dei combustibili più diffusi, come fonte di energia primaria. • Generatori MHD sono anche interessanti per la produzione di impulsi elevati di corrente elettrica poiché hanno tempi di avviamento limitati e sono in grado di fornire la potenza massima istantaneamente. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 7
Schema del sistema di conversione MHD
Camera di combustione
Ugello
B
Ugello può essere:
a) un condotto convergente per regime
J subsonico ,
b) un condotto convergente-divergente per
u regime supersonico)
Il gas proveniente dalla camera di combustione è diretto a velocità u dall'interno di un ugello
perpendicolare ad un campo magnetico B; questo porta ad un'espansione del gas in un modo
simile a quello che si verifica in un generatore di turbina a gas convenzionale.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 8
Schema del sistema di conversione MHD M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 9
Conversione diretta MHD
In figura è riportato lo schema del canale del flusso del fluido conduttore.
Il fluido in camera di combustione grazie alle alte temperature viene ionizzato e
diventa conduttore. Il fluido viene quindi iniettato in un condotto a sezione via via
crescente per favorire l’espansione e conseguentemente l’energia estraibile.
Il flusso del fluido conduttore è forzato tra le piastre ( elettrodi) del condotto con
un'energia cinetica e una pressione differenziale sufficienti per superare la regione
interessata da un campo magnetico B.
Per migliorare e garantire la
y
x ionizzazione del combustibile, i
z
gas caldi provenienti dalla
camera di combustione
vengono inseminati con
sostanze come il cesio o di
u vapori di potassio, che
ionizzano a una temperatura
Schema di un generatore MHD a conduzione
relativamente bassa e
aumentano la conduttività
M. Usai elettrica
8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Direttadel
MHDmateriale gas 10Conversione diretta MHD
Il combustibile utilizzato potrebbe essere:
• olio combustibile fornito attraverso un serbatoio o
• carbone gassificato attraverso un impianto di gassificazione del carbone, o
• gas naturale.
B Il seme, generalmente carbonato di
y
x potassio ,viene iniettato sul gas caldo
z
provenienti dalla camera di
combustione camera di combustione.
Il potassio viene ionizzato dai gas
u ∆V
caldi di combustione ad una
Schema di un generatore MHD a conduzione temperatura di circa 2300°C a 2700 °C.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 11Conversione diretta MHD
Il trasferimento di energia può essere effettuato sulla base di due processi fisici:
il processo di conduzione e il processo di induzione .
1)Il processo di conduzione può utilizzare anche un campo magnetico a bassa
frequenza costante. Le cariche elettriche q di segno contrario in movimento con
velocità u, per la Forza di Lorentz, F q( u B) perpendicolare alle direzioni di
campo magnetico B e alla velocità del fluido conduttore u, saranno convogliate su
due elettrodi posizionati opportunamente nelle pareti laterali del canale MHD.
Il campo di induzione B può essere prodotto con magneti permanenti.
Le forze di Lorenz saranno di segno
B contrario sulle cariche di segno contrario.
y
x Ciò comporta un
z -addensamento di cariche positive ( ioni)
∆V
su un elettrodo e un
-addensamento di cariche negative
u ( elettroni) sull’elettrodo opposto, creando
Schema di un generatore MHD a conduzione una differenza di potenziale tra i due
elettrodi ∆V e un campo elettrico Ey
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 12Generatore e Motore MHD elementare a conduzione
Se si collegano gli elettrodi a un carico attraverso un circuito elettrico, il carico sarà
attraversato dalla corrente i che si richiude trasversalmente nel plasma (nella
direzione y con densità Jy ).
Questa corrente, a sua volta soggetta al campo di induzione B, determinerà la Forza
elettro-magnetica di reazione Fm = Jy x B, diretta secondo l’asse x in direzione
opposta, che rallenta il flusso del plasma. Si può affermare che l'energia cinetica
posseduta dal plasma in movimento con velocità u attraverso il campo magnetico B,
viene convertita in energia elettrica:
Energia cinetica Energia elettrica : Generatore (Dinamo) al plasma
Il processo può essere invertito facendo circolare una corrente di densità Jy
attraverso il plasma, in presenza di un campo magnetico B trasversale.
La conseguente Forza elettro-magnetica Fm = Jy x B accelera il plasma
imprimendogli una velocità u. In questo modo l’energia elettrica del plasma
attraversato da una densità di corrente Jy viene convertita in energia cinetica.
Energia Elettrica Energia cinetica: Motore al Plasma
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 13Conversione diretta MHD
Il processo di conversione della energia rallenta e raffredda il plasma.
Durante il loro funzionamento i generatori MHD a gas tipicamente riducono la
temperatura della sostanza conduttiva da:
temperature del plasma di [2500 ÷ 3000 K)]→ a poco più di [1500 ÷ 2000 K].
Quelli a metallo liquido lavorano a temperature più basse:
temperature inferiori a 2000 K in ingresso. (0 k =-273,15°C)
La quantità di Energia E che può essere estratta è E = f (A, B, σ, u) ossia
proporzionale:
• alla sezione trasversale del tubo A
• all’intensità del campo magnetico B
• alla conduttività del fluido σ
• alla velocità del flusso conduttivo u.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 14Configurazione di un generatore MHD elementare.
Generatore di Faraday continuo
Gli elementi essenziali di un generatore MHD semplificato realizzato con un
magnete permanente (B= cost), sono riportati in figura.
Circuito elettrico che collega il carico (Load)
Condotto all’interno del quale i
è convogliato il gas ionizzato
che possiede energia termica e
cinetica
Anodo
(ricevitore di elettroni )
y ∆V
z x
Catodo
(emettitore di elettroni )
Magnete permanete che genera
il campo magnetico B
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 15Conversione diretta MHD Quindi il principio alla base della produzione di energia MHD è semplice: un gas caldo elettricamente conduttore, prodotto ad alta pressione dalla combustione di un combustibile fossile e accelerato da un ugello a velocità u, viene iniettato in un canale e sottoposto a un intenso campo magnetico B trasversale. Per la Legge di Lorentz, F q( u B) si genera un campo elettrico E : E F/q (u B) che agisce nella direzione perpendicolare al flusso di gas e al campo magnetico. Le pareti del canale parallele al campo magnetico e quindi normali al campo elettrico, vengono utilizzate come elettrodi che, se collegati a un circuito esterno, consentono di fornire corrente ad un carico. Le altre pareti sono isolanti. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 16
Conversione diretta MHD
Il sistema MHD costituisce un motore endotermico*, comprendente una fase
di compressione del gas
da alta pressione (nella fase iniziale nel passaggio attraverso l’uggello)
↓
e una fase di decompressione del gas
a bassa pressione (nella fase finale di espansione)
in un modo simile a quello impiegato in un turbogeneratore gas
convenzionale.
*Nei motori endotermici (m.e.t.) l’energia termica è prodotta mediante combustione di sostanze liquide o gassose.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 17Struttura di base di un generatore MHD
Pareti del canale elettricamente isolanti
B
Pareti del canale elettricamente conduttrici
Il campo magnetico può essere generato anche con due bobine , disposte come in
figura . Con esse è inoltre possibile ottenere un generatore di tensione alternata,
facendo circolare una corrente alternata nelle bobine.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 18Conversione diretta MHD
I sistemi MHD sono classificati in due tipi.
1) Sistema a ciclo aperto
2) Sistema a ciclo chiuso
a) con apporto del sistema di gas inerte
b) a metallo liquido
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 19Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
il processo è stato descritto nelle slide precedenti
Per ottenere la corrente alternata
Fumi
Impianto di recupero del seme
Semina con
Carbonato di potassio
Depuratore
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 20Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
Semina con
Carbonato di potassio In questo schema a ciclo aperto si
effettua il recupero del calore dei
gas esausti e lo utilizza per:
• il preriscaldamento del
combustibile
e
• per la trasformazione dell’acqua
in gas in ciclo chiuso di un
impianto tradizionale a turbina a
gas .
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 21Conversione diretta MHD
Ciclo Aperto –Parametri Tipici
Mach (Ma) è un numero adimensionale definito come il rapporto tra la velocità di un oggetto in moto in un fluido
e la velocità del suono nel fluido considerato
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 22Conversione diretta MHD
Ciclo Termodinamico e Rendimenti
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 23Conversione diretta MHD 1) Sistema a ciclo aperto Per raggiungere le temperature elevate richieste, viene utilizzata aria compressa (aumentando così anche la percentuale di ossigeno) per bruciare il carbone nella camera di combustione, a una temperatura che deve essere di almeno T ≥1100 °C. La temperatura di preriscaldamento può essere sensibilmente ridotta (T
Conversione diretta MHD
1) Sistema a ciclo aperto
Il generatore MHD è principalmente costituito da un canale di
espansione, situato a valle dell’ugello convergente-divergente costituito da
una lega metallica resistente al calore, con raffreddamento esterno ad acqua.
Il gas caldo si espande attraversando a velocità u un campo magnetico B,
generato da potenti magneti o bobine e che che agisce in direzione verticale
alla direzione del flusso. Il movimento degli elettroni ( cariche negative) nel
plasma costituisce una corrente elettrica.
Su due elettrodi posizionati su piani perpendicolari a B e a u, nelle 2 pareti laterali e
opposte del canale MHD, sotto l’effetto delle forze elettromagnetiche si
concentrano cariche elettriche rispettivamente di segno diverso: F q(u B) ,
Generando un campo elettrico E, cosi che i due elettrodi possono
richiudersi su un carico generando il passaggio di una corrente di densità Jy
in direzione y.
Il campo magnetico B agisce a sua volta sulla corrente MHD Jy generata e
produce una tensione nella direzione del flusso → Ex del fluido di lavoro.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 25Conversione diretta MHD 2) Sistema a ciclo chiuso M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 26
Conversione diretta MHD
2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
1) Ciclo di riscaldamento esterno
3) Ciclo acqua e vapore
2) Ciclo MHD del gas vettore del’Argon o Elio
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 27Conversione diretta MHD 2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte In un sistema a ciclo chiuso il gas trasportato lavora come in un ciclo termodinamico Brayton-Joule. Poiché il gas utilizzato non viene disperso nell’atmosfera, esso può essere scelto più costoso, come l’Argon o l’ Elio, con caratteristiche fisiche più avanzate che consentono di ottenere una miglior ionizzazione e una migliore conduzione elettrica. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 28
Conversione diretta MHD 2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte In un sistema a ciclo chiuso (ciclo 2 dello schema) il gas ( Argon o Elio) viene compresso e successivamente scaldato attraverso uno scambiatore di calore, a pressione sostanzialmente costante. Quindi il gas compresso si espande nel generatore MHD, e la sua pressione e temperatura decadono. Dopo aver lasciato il generatore, di calore viene estratto dal gas da un dispositivo di raffreddamento, questa è la fase di smaltimento del calore del ciclo. Infine, il gas viene ricompresso e rimesso nel circuito per essere nuovamente riscaldato attraverso lo scambiatore di calore con il ciclo di riscaldamento esterno (ciclo 1 dello schema). M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 29
Conversione diretta MHD
2.a ) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte
Il sistema completo presenta complessivamente 3 cicli distinti, ma
interdipendenti.
1) Il ciclo di riscaldamento esterno.
Il carbone viene gassificato e il gas viene bruciato nel combustore per
fornire calore. I prodotti della combustione dopo aver attraversato l'aria
preriscaldata e il purificatore vengono scaricati nell'atmosfera. Poiché il
sistema di combustione è separato dal fluido di lavoro, lo sono così anche
le cenere e fumi. In questo impianto il problema di estrarre il materiale
seme dalle ceneri volanti non si pone. I gas combustibili sono utilizzati
per preriscaldare l'aria di combustione in entrata e poi trattati come ceneri
volanti mediante la rimozione del biossido di zolfo*, se necessario prima
dello scarico in atmosfera, attraverso un camino.
*Le emissioni di biossido di zolfo derivano dai processi di combustione che utilizzano
combustibili di tipo fossile (gasolio, olio combustibile, carbone), in cui lo zolfo è presente come
impurità.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 30Conversione diretta MHD 2.a) Sistema a ciclo chiuso con apporto del sistema di gas inerte 2) Ciclo MHD del gas vettore del’Argon o Elio Nello scambiatore di calore primario, questo calore viene trasferito da un gas vettore del ciclo MHD : argon o elio. Il ciclo 2) è il ciclo MHD. Il gas argon caldo viene seminato con il cesio e il fluido di lavoro risultante viene fatto passare attraverso il generatore MHD ad alta velocità. La corrente continua su generatore MHD viene convertita in corrente alternata dall'inverter e viene quindi immessa nella rete. 3) Ciclo acqua e vapore Infine utilizzando un altro scambiatore con il terzo ciclo vapore-acqua, si possono azionare le turbine a vapore, accoppiate al rotore di un alternatore, o a un compressore. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 31
Ciclo Chiuso –Parametri Tipici
Ciclo Chiuso –Parametri Tipici
Ciclo Aperto –Parametri Tipici
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 32Conversione diretta MHD
2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido
flusso bifase :
• metallo liquido e
Metallo vapore • gas inerte come vettore
Miscelatore gas-liquido Separazione del metallo liquido
dal gas di trasporto
ugello
Metallo liquido Verso un impianto a vapore tradizionale
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 33Conversione diretta MHD 2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido L’evoluzione della tecnologia per i generatori MHD ha portato all’impiego di un metallo liquido come fluido motore. Sebbene il metallo liquido costituisca una soluzione interessante per la sua elevata conducibilità elettrica anche a basse temperature, esso però, in quanto incomprimibile, non può essere utilizzato direttamente come fluido di lavoro termodinamici. Per tale motivo in esso viene incorporato un gas caldo per formare un fluido bifase di lavoro adeguato al tipo di impianto. I sistemi MHD a metallo liquido hanno caratteristiche interessanti dal punto di vista del funzionamento della macchina elettrica, ma sono limitati in temperatura dalle proprietà dei metalli a circa 1250 K (circa 975 ° C, o 1.800 ° F); essi competono con vari sistemi di conversione dell'energia esistenti in grado di operare nello stesso intervallo di temperatura. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 34
Conversione diretta MHD 2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido Un sistema MHD a metallo liquido si ottiene dunque quando si utilizza in sostituzione di un gas, un metallo liquido e un gas inerte come ottimo vettore: flusso bifase. Il gas di trasporto è pressurizzato e riscaldato nel passaggio attraverso uno scambiatore di calore all'interno della camera di combustione. Il gas caldo così ottenuto, viene quindi incorporato nel metallo liquido sodio generalmente caldo per formare il fluido di lavoro: flusso bifase . Quest'ultimo quindi è costituito da bolle di gas uniformemente disperse in un volume approssimativamente uguale di sodio liquido. Il fluido di lavoro viene introdotto nel generatore MHD attraverso un ugello nei modi usuali. Il gas di trasporto o vettore incorporato nel metallo consente al fluido conduttore elettrico così ottenuto di raggiungere l'alta velocità u richiesta. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 35
Conversione diretta MHD 2.b) Sistema a ciclo chiuso a metallo liquido Dopo il passaggio attraverso il generatore MHD, il metallo liquido viene separato dal gas di trasporto. Il metallo liquido in uscita ancora caldo viene dunque convogliato verso uno scambiatore di calore per produrre il vapore necessario per azionare una turbina a gas tradizionale. Il gas di trasporto viene raffreddato, compresso e riportato nella camera di combustione per riscaldarsi e miscelarsi con il metallo liquido recuperato. La temperatura del fluido di lavoro è di solito intorno 800 °C come il punto di ebollizione di sodio. A bassa temperatura di funzionamento, gli altri sistemi di conversione MHD possono essere vantaggiosi dal punto di vista materiale, ma il rendimento termico massimo è più basso. Un possibile compromesso potrebbe essere quella di utilizzare litio liquido, con un punto di ebollizione vicino 1300 °C. Sebbene il litio conduttore elettrico è molto più costoso del sodio, le perdite in un sistema chiuso sono minori. M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 36
Generatori MHD a metallo liquido: LMMHD
In molti generatori MHD si usano come fluidi conduttori i metalli
liquidi (come mercurio, sodio, potassio); in tal caso si parla di
Magnetoidrodinamica dei metalli liquidi,
LMMHD (Liquid Metal MagnetoHydroDynamics)
In queste sostanze, la mobilità degli elettroni è considerevolmente
ridotta, dato che si tratta di liquidi: pertanto, il parametro di Hall assume
valori tali per cui si può dire che nei liquidi il campo elettrico di Hall e
tutte le sue conseguenze possano essere trascurate.
I metalli liquidi sono caratterizzati da una conducibilità molto più
elevata di quella dei gas o dei plasmi, anche a temperature
relativamente contenute e per questo aspetto sono preferibili.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 37Conducibilità elettrica dei fluidi e di alcuni metalli solidi A parte i plasma ad altissima temperatura, i fluidi che conducono meglio l’elettricità sono i metalli liquidi, per i quali la conducibilità è prossima a quella del mercurio. Si noti come la conducibilità del mercurio: 106 risulti comunque 60 volte inferiore alla conducibilità del del rame allo stato solido: 6 107. M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 38
Generatori MHD a metallo liquido: LMMHD I generatori MHD sono, sostanzialmente, dei canali in cui il metallo liquido scorre all’interno di un campo magnetico, dando vita ad una distribuzione di corrente in una direzione perpendicolare sia al campo che alla velocità. Finora abbiamo esaminato diverse geometrie del canale e diverse configurazioni degli elettrodi; esistono anche altri tipi di generatori, ciascuno con la sua configurazione di campo magnetico. Nei generatori a conduzione, le correnti elettriche indotte sono raccolte direttamente tramite elettrodi a diretto contatto con il metallo liquido. Questo potrebbe dare luogo a problemi di corrosione sugli elettrodi qualora si usino sostanze aggressive. Nei generatori ad induzione, la corrente elettrica è prodotta, come in un trasformatore, da un accoppiamento magnetico: • tra un circuito primario (gli avvolgimenti dell’induttore) e • un circuito secondario (il metallo liquido = circuito indotto). M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 39
Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
Nei generatori a conduzione il valore effettivo del rendimento η risente anche :
• delle perdite per effetto Joule all’interno del fluido,
• delle perdite per attrito e
• delle perdite dovute alle particolari distribuzioni di velocità u in corrispondenza
delle estremità del traferro magnetico, dove si verificano forti gradienti di B .
Tra le suddette perdite, quelle preponderanti sono legate all’effetto Joule; esse
possono essere ridotte aumentando il valore dell’induzione magnetica B, a parità di
carico.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 40Generatori a metalli liquidi a conduzione In figura si osservano alcune curve del rendimento η in funzione del fattore di carico indicato con la lettera F, per diversi valori del numero di Hartmann (che rappresenta una misura di quanto siano intense le forze elettromagnetiche nel fluido): • tutte le curve passano per lo zero a vuoto (la potenza elettrica è nulla perché non c’è corrente) • passano per lo zero in cto-cto (la potenza elettrica è nulla perché non c’è tensione), • l’inviluppo dei massimi unisce tutti punti in cui il fattore di carico è tale per cui la resistenza esterna uguaglia la resistenza interna → Re=Ri M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 41
Generatori a metalli liquidi a conduzione
(mercurio, sodio, potassio)
Le perdite alle estremità del traferro magnetico potrebbero essere abbattute
isolando elettricamente le pareti del condotto in corrispondenza dell’ingresso e
dell’uscita dal magnete.
Se il campo magnetico trasversale è costante nel tempo B=cost, → la tensione di
uscita del generatore V sarà continua e di valore molto basso, a causa dell’elevata
conducibilità interna del metallo liquido; si potrebbe pensare di usare un’induzione
variabile nel tempo per ottenere direttamente corrente alternata, ma questa
eventualità non è stata approfondita dal punto di vista sperimentale.
I generatori a conduzione possono funzionare in condizioni di autoeccitazione:
• all’avviamento si sfrutta il campo magnetico residuo Br nel nucleo
ferromagnetico, e
• quando la velocità supera un valore critico uc , la corrente prodotta comincia ad
aumentare sensibilmente, garantendo un adeguato bilancio energetico tra le forze
elettromagnetiche e le varie perdite.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 42Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
L’autoeccitazione è molto importante per i sistemi elettrici di bordo, ad esempio in
campo spaziale.
Andamento temporale della velocità del fluido all’avviamento u e della corrente
elettrica prodotta J y .
F
F q(u B) E J y f (E)
q
u
u [ms]
JIJyy
JIy[kA]
t =t* t [s]
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 43Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
I generatori a conduzione sono facilmente adattabili per lavorare con miscele
bifase.
Le miscele di gas (aria o azoto) e metalli liquidi fondenti (PB-Sn o Na-K)
permettono di realizzare la conversione diretta MHD grazie alla conducibilità del
liquido, insieme alla compressione MHD.
Ciò si ottiene creando una sospensione di bolle di gas in una matrice di metallo
liquido che assicura la continuità elettrica del flusso fluido.
Se il rapporto tra le portate in peso di metallo e gas è elevato,
↓
il gas disperso nel liquido viene espanso e compresso, dai sistemi MHD con una
trasformazione praticamente isoterma per effetto del trasferimento del calore,
contenuto nel liquido, allo stesso gas durante la variazione di pressione.
Ciò consente di generare energia in forma diretta, attraverso un ciclo
termodinamico ad alto rendimento ( Ericsson),
ma con temperature della sorgente calda abbastanza limitate.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 44Generatori MHD a metallo liquido: conduzione
La sezione trasversale del canale deve essere progettata in modo da controllare
l’evoluzione del grado di vuoto e quindi la sezione non sarà costante e sarà
variabile.
Il sistema è simile ad una pompa elettromagnetica, dove però il condotto di
trasporto del fluido risulta convergente o divergente in quanto la velocità
media u del fluido bifase rimane costante: u=cost e varia solamente la sua
pressione p, e quindi il suo volume Vvol per effetto della compressione o
espansione della frazione di gas contenuta nella miscela.
La continuità elettrica tra gli elettrodi è assicurata dalla natura del fluido bifase
nella quale è disperso il gas.
Per massimizzare il rendimento del convertitore conviene che i condotti di
espansione o compressione siano realizzati in materiale ceramico per evitare
le perdite di corrente attraverso il contenitore del flusso fluido.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 45Generatori MHD a metallo liquido: induzione
Questo tipo di macchina lavora con un campo magnetico mobile B , la cui
direzione è perpendicolare all’asse del flusso costituito da metallo liquido.
•Gli avvolgimenti primari sono connessi ad una rete polifase e
•l’energia elettrica viene trasmessa al metallo liquido (che costituisce
l’avvolgimento secondario) dalle bobine di eccitazione senza contatto diretto,
per induzione elettromagnetica.
•A parte la geometria lineare, il principio di funzionamento di questa macchina
è abbastanza simile a quello di un generatore asincrono lineare .
•La sezione del canale può essere rettangolare o anulare.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 46Generatori per metalli liquidi a induzione a geometria rettangolare
Nella geometria rettangolare o lineare , nei casi in cui la temperatura e la
corrosività del metallo liquido sono limitate, si aggiungono due barre laterali
metalliche ad elevata conducibilità, affinché le correnti elettriche indotte
circolino in direzione normale al flusso di induzione B, migliorando l’efficienza
di conversione della potenza meccanica in elettrica.
us
u
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 47Conversione diretta MHD
Il processo di conduzione
Il generatore MHD rappresenta un interessante mezzo per la conversione
della energia termica posseduta da un gas in energia cinetica e quindi in
energia elettrica. Le proprietà termodinamiche del gas usato assicurano,
attraverso l’espansione in un ugello, la conversione del calore trasportato
in energia cinetica.
Se il fluido vettore è un metallo liquido, il processo di conversione per
conduzione può essere realizzato attraverso un ciclo bifase, in cui un gas
conducente, espandendosi in un ugello, accelera e trascina con se anche il
metallo liquido, che acquisisce energia cinetica.
All’uscita dell’ugello il metallo e il gas vengono nuovamente separati.
In entrambi i casi l’energia meccanica posseduta dal fluido motore, che
raggiunge la velocità u, viene quindi convertita in energia elettrica nel
tratto MHD attraverso l’interazione delle cariche in movimento del fluido
conduttivo (plasma o metallo liquido) con il campo magnetico esterno B.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 48Conversione diretta MHD
2) Il processo di induzione fa uso di campi magnetici mobili prodotti da induttori
analoghi a quelli usati nelle macchine lineari (pompe elettromagnetiche, motori lineari).
La corrente elettrica nel fluido è indotta, come in un trasformatore, dall’accoppiamento
magnetico tra un circuito primario (gli avvolgimenti dell’induttore) e un circuito
secondario (il metallo liquido = circuito indotto).
il canale è inserito tra due nuclei
us magnetici che presentano delle
fessure sulla loro faccia interna,
dove hanno sede gli avvolgimenti primari.
u
Schema di un Generatore e Motore MHD ad induzione lineare
(Joussellin, Alemany, Werkoff, Marty – MHD induction generator at weak magnetic Reynolds number)
Il campo magnetico alternato, necessario per l’accoppiamento induttivo, può essere ottenuto:
1) sia alimentando in alternata un avvolgimento induttore monofase mobile che si sposta con
velocità us ,parallela ed equiversa a quella del fluido u,
2) che alimentando con una terna trifase simmetrica un avvolgimento trifase.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 49Conversione diretta MHD
Configurazione lineare
Il campo trifase è generato dalle bobine costituito dalle bobine si muove
al variare del tempo spingendo il fluido nella pompa nella direzione in cui
si sta muovendo il campo. Esso è analogo a un motore lineare, eccetto che
i due avvolgimenti di campo induttore sono disposti uno mobile sopra il
condotto e uno sotto il condotto di flusso.
B
us
u
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 50Generatore e Motore MHD elementare a induzione
Il sistema può funzionare come generatore o come motore e il principio di
funzionamento può essere schematicamente descritto come segue:
• Se u< us , ossia se la velocità di flusso u ( velocità sincrona) è minore di quella
del campo us , le forze elettromagnetiche sono motrici: pompa elettromagnetica.
L’energia elettrica è convertita in energia meccanica.
• Se u> us , ossia se la velocità di flusso u è maggiore della velocità sincrona us,
le forze elettromagnetiche sono resistive: generatore.
L’energia meccanica è convertita in elettricità.
L’energia elettrica viene prodotta come corrente alternata con frequenza e
tensione variabile. A differenza del processo di conduzione, per i quali possono
essere utilizzati i magneti permanenti, in questo caso il campo deve essere prodotto
da un induttore alimentato da una corrente elettrica variabile.
Questa sorgente di energia può essere esterna o interna al sistema.
Inoltre se parte della energia elettrica generata viene usata per alimentare l’induttore
che genera il campo di induzione, si può realizzare la cosi detta autoeccitazione,
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 51Conversione diretta MHD
Il processo di induzione
Per un generatore MHD ad induzione, affinché sia soddisfatta la condizione di
autoeccitazione, è richiesto un basso numero di Reynolds espresso dalla
seguente relazione :
μ σ f u u s
Rm 1
k
dove:
• (u-us) è la differenza tra la velocità di flusso u e la velocità sincrona del
campo elettromagnetico us
• k= 2π/λ è il numero d'onda
• λ è la lunghezza d'onda di una bobina di induzione,
• μ è la permeabilità magnetica del fluido e
• σf è la sua conducibilità elettrica del fluido.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 52Conversione diretta MHD
Configurazione di un sistema MHD ad induzione anulare
La progettazione e funzionamento di una pompa ad induzione EM anulare, la cui
configurazione è stata riportata in figura, richiede una analisi MHD.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 53Conversione diretta MHD
Il processo di induzione con autoeccitazione
L’autoeccitazione presenta importanti vantaggi:
• non necessita di particolari elettrodi per convogliare la corrente elettrica al carico;
• l'elettricità è prodotta direttamente in corrente alternata AC con frequenza e tensione
variabile;
•il sistema può funzionare senza sorgente
elettrica esterna e quindi ben si adatta
alla utilizzazione in luoghi remoti dove
non è possibile allacciarsi a una rete
elettrica (produzione di energia elettrica
nello spazio per esempio).
Il progetto classico in questo caso
comprende condensatori collegati in
parallelo con ogni fase delle spire
dell'induttore. Per ciascuna fase si tiene
conto delle perdite per Effetto Joule negli
avvolgimenti tramite la resistenza r. I
condensatori sono collegati alle
resistenze del carico R.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 54Conversione diretta MHD
Il processo di induzione con autoeccitazione
Il sistema quindi utilizza potenza reattiva dai condensatori per alimentare
l'induttore che fornirà potenza attiva ottenuta dall'interazione tra il campo
e il flusso di fluido ionizzato.
La frequenza corrispondente sarà molto vicina a quello del circuito
oscillante formato dalla auto-induttore, il condensatore e la resistenza di
carico di ciascuna fase ( se si trascura r).
Naturalmente, questo processo viene mantenuto una volta che si instaura
un equilibrio tra l'energia elettrica utilizzata e quella prodotta. Questo
equilibrio, per un dato generatore, corrisponde ad una velocità di flusso
critica u che sarà sempre maggiore della velocità sincrona us nel
funzionamento come generatore.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 55Generatori a metallo liquido a induzione: geometria anulare
La figura mostra la geometria anulare, dove le
bobine sono circolari e avvolte attorno al tubo
esterno. Il metallo liquido scorre nella cavità anulare
Induced current
tra la parte magnetica esterna, contenente le cave, e
il nucleo circolare interno, che serve a diminuire la
riluttanza magnetica del circuito.
In questo caso
• le correnti indotte scorrono in direzione
azimutale,
• le linee di forza del campo magnetico sono
radiali,
• quindi le forze elettromagnetiche agiscono
assialmente.
Questa geometria è quella usata per le pompe del
sodio nei reattori nucleari a fertilizzazione veloce. Fluid flow
Essa gode di una completa simmetria assiale, che
permette di evitare le barre conduttrici laterali
menzionate con la geometria rettangolare.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 56Generatori MHD a metallo liquido: induzione Gli effetti delle estremità possono avere una notevole influenza, se non si presta la dovuta attenzione alla progettazione degli avvolgimenti primari. Studi recenti hanno dimostrato che, quando una distribuzione della corrente non uniforme nella lastra primaria si combina con una spaziatura non uniforme delle cave, si possono raggiungere valori elevati dell’efficienza. La configurazione anulare non è sempre praticabile tecnicamente; infatti, quando la temperatura del metallo liquido è troppo elevata, il nucleo interno perde le sue proprietà magnetiche, e il campo risulta notevolmente distorto. Nonostante il rendimento di conversione sia inferiore (dell’ordine del 50% per macchine di grossa taglia), questo tipo di generatori ha il vantaggio importante di produrre una tensione di uscita alternata. Come nel caso a conduzione, è possibile il funzionamento in autoeccitazione. M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 57
Conversione diretta MHD
Pregi e difetti
Dalla teoria della termodinamica è ben noto che la massima efficienza di un
ciclo dipende solo dal rapporto fra la temperatura massima Tmax e Tmin quella
minima (rendimento teorico di Carnot η=(Tmax-Tmin)/Tmax).
Gli attuali dispositivi di conversione energetica (turbogeneratori) sfruttano
diversi tipi di sorgenti di calore: chimica, nucleare, solare, geotermica, ecc…
ciascuno dei quali ha una sua temperatura di riferimento.
Le sorgenti di calore possono raggiungere anche temperature molto elevate, ma
quelle alle quali si può operare la conversione energetica sono limitate dalle
temperature massime sopportabili dalle strutture con le quali si è realizzato il
sistema.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 58Esempio:
Mentre esistono sorgenti termiche anche fino a 3000 K, gli attuali
turbogeneratori possono operare economicamente a temperature più basse,
intorno ai 1800-1900 K , a causa dei notevoli stress sia meccanici che termici
cui sono sottoposte le palettature delle turbine.
Diminuire questo divario migliorerebbe sicuramente l’efficienza
termodinamica, contribuendo ad un migliore sfruttamento delle risorse naturali
e ad una diminuzione dell’inquinamento atmosferico.
I generatori MHD, a differenza delle turbine, non prevedono l’uso di parti
meccaniche in movimento, quindi sono in grado di operare con temperature
molto più elevate con la possibilità di raggiungere efficienze termodinamiche
tra il 50% e il 60%.
[MHI] Mitsubishi Heavy Industries, Ltd
[unpv] Università di Pavia - Corso di Conversione dell'Energia
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 59Conversione diretta MHD
Vantaggi
• L'efficienza della conversione di un sistema MHD può essere circa
del 50% più alta rispetto agli impianti a vapore più efficienti.
• Con i miglioramenti nelle esperienza e nella tecnologia si prevede di
raggiungere in futuro efficienze ancora più elevate, intorno al
60-65%.
• Una grande quantità di energia viene generata senza parti meccaniche
in movimento, in modo più affidabile.
• Il ciclo chiuso del sistema produce energia, senza inquinare.
• La dimensione dell'impianto sono considerevolmente più piccole
rispetto a quelle delle centrali a combustibili fossili convenzionali.
Sebbene il costo di un impianto MHD non può essere stabilito con
grande precisione, è stato stimato che i costi operativi generali in un
impianto sarebbero circa il 20% inferiori.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 60Conversione diretta MHD
Vantaggi
Il sistema ha la capacità di rendere rapido l’avvio e il raggiungimento del pieno
carico Quindi grazie ai tempi di avviamento ridotti, e la possibilità di
raggiungere velocemente il pieno carico, i sistemi MHD sono adatti per
realizzare generazioni di potenza di picco e servizio di emergenza. È stato
stimato che le attrezzature MHD per tali funzioni è più semplice.
Sviluppi futuri
Si stima che entro il 2020, ci sarà un grane incremento della produzione di
energia con generatori MHD.
La ricerca e lo sviluppo è ampiamente in corso per la MHD da diversi paesi del
mondo come gli USA, la Russia , il Giappone, l’ India, la Cina, la Jugoslavia,
l’Australia, l’Italia e la Polonia.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 61Effetto Hall
Un fenomeno complicante che caratterizza un generatore MHD al plasma è il
verificarsi dell’ effetto di Hall, legato al comportamento degli elettroni quando si
collegano gli elettrodi a un carico con una densità di corrente Jy.
Infatti, gli elettroni nel plasma hanno una mobilità molto superiore a quella degli
ioni. Quando la corrente di carico di densità Jy fluisce attraverso il plasma in
direzione y, il flusso di elettroni è sottoposto a una forza diretta
perpendicolarmente al piano individuato da J e B (effetto-Hall).
Un campo elettrico Ex, detto campo Hall, si
E Ey c. di Faraday stabilisce parallelamente alla direzione dell'asse del
canale (x) nel senso negativo, rallentando il flusso
Ex c. di Hall
degli elettroni nel condotto.
ux Come risultato il campo complessivo E e la
y
Bz Jy z corrente elettrica totale J deviano di un certo
x angolo α rispetto alla direzione dell’asse y (Angolo
di Hall).
Ex → campo elettrico di Hall
Ey → campo elettrico di Faraday
http://labs.physics.berkeley.edu/mediawiki/index.php/Hall_Effect_in_a_Plasma
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 62Più precisamente, sino a quando non è collegato un carico sugli elettrodi:
La variazione di pressione p imprime una velocità u al fluido conduttore nel
condotto MHD. Il campo magnetico B perpendicolare al movimento delle
cariche u , imprime una forza, perpendicolare e con verso legato al segno
delle cariche: F q( u B)
Tale forza separando le cariche genera quindi un campo elettrico
perpendicolare E y F/q
anodo
Fluido conduttore
con cariche libere
p
u .
B Ey
z . y
x
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
catodo
p u F q( u B) E y
Legge di Faraday
M. Usa 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 63Se sucessivamente si collega un carico tra i due elettrodi che assorbe una
corrente i, si stabilizzerà nel fluido conduttore un campo di corrente di
densità Jy con un movimento di cariche con velocità vy in direzione y, che
con il campo di induzione B generano un campo elettrico Ex nella direzione
dell’asse del condotto MHD. Jy
anodo
Fluido conduttore
con cariche libere
p
u .
B Ex
Ey
z . y
x
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
catodo
Jy
E y campo elettricodi Faraday
p u F q( u B) E y J y E x dove
E x campo elettricodi Hall
B i B
Legge di Faraday Effetto Hall
M. Usa 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 64Nel caso del generatore lineare di Faraday, l’interazione tra la corrente elettrica Jy
che attraversa il fluido e gli elettrodi in direzione (y), perpendicolarmente al campo
magnetico B (direzione z), determina l’insorgere di un campo elettrico assiale
(direzione x) e, di conseguenza, di una d.d.p. tra ingresso e uscita del condotto, e,
quindi, anche la richiusura di una corrente tra gli elettrodi attraverso il plasma, in
direzione longitudinale (corrente di Hall).
L’intensità di questo effetto è legata
alle caratteristiche del materiale
conduttore.
Generalmente l’effetto Hall è tale da
rendere totalmente inefficace il
generatore a elettrodi continui, per
cui per minimizzarlo si ricorre alla
segmentazione degli elettrodi,
interrompendo così il percorso di
richiusura della corrente.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 65Quindi il verificarsi di un effetto di Hall pronunciato è una complicanza tipica dei
generatori MHD al plasma.
Per ridurre questi effetti nei generatori MHD si può interviene in 2 modi:
• segmentando gli elettrodi per impedire la richiusura della corrente di Hall,
• ma anche
• realizzando la connessione al carico esterno in maniera tale da prelevare la
corrente di Hall stessa. → Si realizza così un Generatore Hall
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 66Il generatore di Faraday
Componenti base di un generatore MHD di potenza
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator
Per un generatore di Faraday con elettrodi continui, la potenza sarà
sensibilmente ridotta rispetto a quella idealmente prelevabile perché la corrente di
Hall è libera di circolare nel fluido e di richiudersi anche attraverso gli elettrodi. Per
evitare questo si tagliano i percorsi delle correnti di Hall attraverso la
segmentazione degli elettrodi.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 67Possibili connessioni degli elettrodi per generatori MHD a geometria lineare
b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati
Per ridurre gli effetti indesiderati legati all’effetto
Hall, il generatore di Faraday continuo viene
modificato:
• suddividendo gli elettrodi in più segmenti, per
tagliare il percorso di richiusura delle correnti di
Hall che tendono a richiudersi nel gas, in direzione
x, attraverso gli elettrodi
• e
• realizzando una connessione di carichi distinti a
ciascuna coppia di segmenti opposti.
In teoria nel caso limite di una segmentazione infinita
non ci può essere componente di corrente che si
richiude in direzione x (Jx=0), quindi si annulla
l’influenza dell’effetto Hall, e si ottiene massima
potenza in uscita.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 68b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati In un generatore reale le correnti di Hall non sono completamente soppresse con la segmentazione degli elettrodi, e il miglioramento in termini di potenza ed efficienza nelle prestazioni di un generatore di tipo Faraday a elettrodi segmentati, non è così significativo come ci si potrebbe aspettare dai risultati di uno studio analitico semplificato M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 69
b) Generatore di Faraday a elettrodi segmentati
In figura sono riportate:
• una curva sperimentale della potenza per un generatore alimentato mediante
prodotti di combustione, ottenuta da Way, DeCorso, Hunstad, Kemeny e Stewart
nel 1961;
• la curva teorica.
Il discostamento tra le
due curve è dovuto alle
correnti disperse nelle
pareti del generatore.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 70c) Generatore di Hall
Il fatto che l’effetto Hall produca una componente assiale del campo elettrico Ex
↓
suggerisce di utilizzarla direttamente per alimentare un carico connesso tra due
elettrodi posti alle estremità del canale MHD.
Secondo quanto affermato in precedenza, l’ampiezza del campo elettrico assiale Ex
sarà massima quando si annulla la componente Ey=0 , ossia quando gli elettrodi
opposti sono cortocircuitati.
In questo modo si realizza il generatore di Hall.
• per valori del parametro di Hall elevati, fornisce
una densità di potenza confrontabile con quella
di un generatore di Faraday a segmenti;
• tende ad avere un rendimento elettrico più
elevato in condizioni di lavoro prossime al corto
circuito, esattamente l’opposto del generatore di
Faraday a segmenti;
• introduce notevole semplificazione nella
connessione del carico.
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 71c) Generatore a pareti conduttrici diagonali
Nella realtà si massimizza l’efficacia della conversione prelevando direttamente la
somma delle correnti di Faraday e Hall, attraverso la connessione in serie e in
diagonale delle coppie di elettrodi, in maniera tale da seguire le linee di corrente
risultanti dall’interazione dei 2 fenomeni. Nella realtà il campo totale E devia
rispetto alla direzione dell’asse x di un angolo α e per migliorare l’efficienza del
generatore si utilizzano pareti conduttrici diagonali. Come illustrato in figura d), i
conduttori diagonali, che formano parte del condotto, in contatto con il plasma,
sono disposti in modo da giacere sulle superfici equipotenziali del campo E.
Quindi, la deviazione delle pareti conduttrici laterali sarà legata ai valori delle
componenti di E: Ey
tan z
x
Ex
•dove α è l’angolo compreso tra il piano y
α
sul quale giacciono i conduttori diagonali
e il piano y-z. I generatori di Hall e di
Faraday possono essere visti come un caso
particolare di questo generatore, ottenibili
per α = 0 e α=π/2 .
M. Usai 8c_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA_Generatore MHD 72Riassumendo in un Generatore di Faraday segmentato (Segmented Faraday
Generator) , per minimizzare le correnti di Hall, il numero degli elettrodi deve
essere il più elevato possibile (figura A) ; l’isolamento tra elettrodi adiacenti deve
reggere la tensione di Hall; la configurazione prevede carichi indipendenti per
ogni coppia di elettrodi, cui corrisponderanno tensioni e correnti diverse.
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHD-systems
Nella configurazione alternativa (figura B), nota come Generatore di Hall, gli
elettrodi sono cortocircuitati a coppie e un unico carico elettrico è alimentato tra
le estremità del canale.
In questo modo si utilizza la sola componente assiale del campo Ex e il carico
è alimentato dalla sola la corrente di Hall Jx.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 73Generatore a pareti conduttrici diagonali
Ex B
Ey E
B
ENCICLOPÆDIA BRITANNICA - http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHD-
systems
Inoltre poiché, a causa dell’interazione tra i campi elettrici di Faraday Ey e di
Hall Ey, le linee equipotenziali del campo elettrico totale E si sviluppano
diagonalmente, gli elettrodi possono essere opportunamente traslati e disposti
secondo l’andamento delle linee equipotenziali per ottimizzare la tensione utile
e quindi la corrente sul carico.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 74Confronto tra sistema MHD e sistema Turbogeneratore
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/357424/magnetohydrodynamic-power-generator/258876/Other-MHD-systems
Nel turbogeneratore, il gas
interagisce con le superfici delle pale
della turbina per azionare la turbina
ed il generatore elettrico allegato.
Nel sistema MHD, l'energia cinetica
del gas viene convertita direttamente
in energia elettrica con l’espansione
consentita del gas.
B
Il campo magnetico di induzione B può essere generato con magneti permanenti
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 75Rendimenti dei Sistemi tradizionali e Sistemi a ciclo combinato MHD.
Sistemi tradizionali
Turbo gas 35 %
Vapore (40÷45) %
Gas + Vapore 60 %
Sistemi a ciclo combinato MHD
MHD + Vapore 60%
MHD + Gas + Vapore (65÷70)%
I rendimenti dei sistemi MHD sono sensibilmente migliori, ma i costi di
costruzione elevati dei sistemi MHD, legati alla necessità di :
• ottenere campi magnetici molto intensi e
• elevati livelli di ionizzazione,
hanno limitato al momento la loro diffusione .
Attualmente si sta cercando di migliorare la tecnologia e progettazione degli
impianti MHD , per raggiungere la condizione di grid parity.
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 76La potenza di un generatore MHD per ogni metro cubo del volume del suo canale è
proporzionale al prodotto tra:
• la conducibilità del gas σ,
• il quadrato della velocità del gas u2 , e
• il quadrato della induzione del campo magnetico B cui è sottoposto il gas.
P/m3 ≈ σ u2 B2
Affinché un generatore MHD sia competitivo, con buone prestazioni e dimensioni
fisiche ragionevoli,
↓
1. il plasma deve lavorare con valori di temperatura T al di sopra di circa 1800 K
(circa 1500 ° C o 2800 ° F).
↑
Questa condizione è richiesta per garantisce che la sua conducibilità elettrica del
plasma sia adeguata: σ =10 ÷ 50 [S/m] .
M. Usai 8b_EAIEE_Magnetoidrodinamica_Conversione Diretta MHD 77Puoi anche leggere
