8d_eaiee_magnetoidrodinamica_generatore

8e_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA
(ultima modifica 02/12/2015)
Generatore termo acustico
8d_Magnetoidrodinamica_Generatore Termo_Acustico
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Il generatore termo-acustico
I generatori termo-acustico offrono un mezzo unico di conversione dell'energia
termica in energia meccanica:
• senza parti in movimento
• senza circolazione di fluido, che invece oscilla sottoposto a onde di
pressione alternate.
Essi sono confrontabili ai motori Stirling con il vantaggio di essere più
semplici, perché le parti meccaniche in movimento sono sostituite da un liquido
oscillante.
La trasformazione successiva dell'energia meccanica in energia elettrica può
essere quindi realizzata in diversi modi.
I generatori MHD offrono un'eccellente opportunità in questo settore, in
particolare utilizzando i fenomeni della induzione elettromagnetica.
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REMARK
Il principio del motore Stirling è conosciuto
da lungo tempo.
Il sistema termo-acustico MHD ha la stessa
potenzialità di applicazioni del
Motore Stirling. Ad esempio la capacità
essere reversibile e quindi di essere in grado
di produrre freddo è uno degli aspetti comuni
dei due sistemi.
La valutazione della efficienza può essere
fatta sulla base di tale aspetto.
Il pastore Robert Stirling è nato il 25 octobre1790,
a Gloag nel Perthshire, in Scozia.
Morì 6 Giugno 1878 in Galston, una città
30 km a sud di Glasgow.
•Considerando la semplicità costruttiva, la
mancanza di parti mobili, e la potenza
specifica ottenibile, certamente il sistema
termo-acustico
MHD
offre
maggiori
potenzialità.
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Il generatore termoacustico consente la produzione di energia meccanica, che
viene prodotta con onde di pressione alternate che comportano oscillazioni
della velocità in un fluido comprimibile, a partire dall’applicazione di un
adeguato gradiente termico tra le estremità del tubo contenente il gas.
I° trasformazione di energia da termica ad acustica
Il generatore termo‐acustico realizza la conversione di energia termica in
meccanica generando un’onda di pressione a partire dall’applicazione di un
adeguato gradiente di temperatura tra le estremità di un tubo isolante
contenente un gas.
II° trasformazione di energia da meccanica a elettrica
La successiva trasformazione dell'energia meccanica vibrazionale in energia
elettrica viene realizzata attraverso uno stadio MHD a induzione; tale energia
meccanica, generata nel gas per effetto termoacustico, viene trasferita ad un
metallo liquido attraverso un’apposita membrana, tutto senza parti in
movimento e senza circolazione di fluido.
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Il generatore termo-acustico
Viene utilizzata una combinazione di
un generatore termo-acustico con gas nobile elio (He) e di
un generatore ad induzione di nuova concezione con metallo liquido sodio (Na)
per ottenere
↓
energia elettrica regolabile in tensione e intensità di corrente,
erogata alla frequenza dell'onda termo-acustica.
Lo stato dell’arte è che il sistema è stato già sottoposto a simulazione numerica ed è
oggetto di un programma di studio sperimentale tra partner accademici e industriali
per la messa a punto delle dimensioni e parametri del sistema complessivo.
Si prevede lo sfruttamento del processo, usando un collettore solare, per la
produzione di energia elettrica, in sedi isolate come villaggi isolati e isole,
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Il generatore MHD termo-acustico
La possibilità di collegare l'effetto termo-acustico con l'effetto MHD è molto
interessante; in questo modo si ottiene la conversione completa di energia
termica in elettrica, senza il coinvolgimento di parti in movimento.
•Questo tipo di generatore, basato sull'uso di metallo liquido, è già stato
sottoposto a simulazione numerica e prototipato dal Cnrs (Centre national de
la recherche scientifique) di Grenoble.
•Il suo principio di funzionamento si basa sul concetto di pompe
elettromagnetiche che lavorano da generatori.
Le pompe trasformano l'energia elettromagnetica in energia meccanica ed
esattamente una trasformazione inversa avviene nei generatori.
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Il generatore MHD termo-acustico
La trasformazione di energia meccanica in elettrica può essere effettuata in 2 modi:
1) Nei generatori a conduzione, le correnti elettriche indotte sono raccolte direttamente
tramite elettrodi a diretto contatto con il metallo liquido. Questo sistema teoricamente
consente un'eccellente efficienza, ma solo in condizioni di carico lontane dalle
esigenze reali
2) In quelli a induzione, la corrente elettrica è creata, come in un trasformatore,
dall’accoppiamento magnetico tra un circuito primario (gli avvolgimenti
dell’induttore) e un circuito secondario (il metallo liquido = circuito indotto).
Questo secondo sistema, utilizzando il meccanismo di induzione, si presta meglio
all’implementazione del generatore in oggetto, in quanto i generatori termo-acustici
forniscono direttamente energia meccanica alternata, perfettamente compatibile con
l'utilizzo di generatori MHD basati su variazioni di flusso magnetico.
Questo porta allo sviluppo di un generatore ad induzione di nuova concezione, che
sfrutta come energia primaria quella meccanica associata alle oscillazioni indotte nel
metallo liquido dall’effetto termo-acustico.
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Descrizione del generatore
Il principio del generatore MHD induzione si basa sull'oscillazione di un metallo
liquido in presenza di un campo magnetico permanente impresso.
L'interazione tra le oscillazioni della velocità del metallo u e il campo magnetico
radiale B, generato con un magnete permanente, induce nel fluido, in direzione
ortogonale a B e u, una corrente elettrica pulsante alla stessa frequenza delle
oscillazioni della velocità. Le pulsazioni delle correnti, a loro volta, creano un
campo magnetico indotto e un flusso magnetico pulsante che induce una corrente
elettrica nella bobina connessa al carico elettrico. Le caratteristiche della corrente
elettrica prodotta dipendono dalla caratteristica della bobina e dal carico.
Materiale ferromagnetico
disposto in modo da
concentrare il campo
magnetico nella zona in cui
avviene la conversione
MHD, garantendo la
minima dispersione e la
massima uniformità del
flusso magnetico
Gas: elio (He)
Metallo liquido: sodio (Na)
B
u
Φp
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Il metallo liquido, usato per la sua elevata conduttività, oscilla nel condotto MHD in
direzione assiale con velocità u alternata in presenza di un campo magnetico costante
radiale B, generato per mezzo di un magnete permanente ad anello avvolto attorno al
condotto stesso.
L'interazione tra le oscillazioni della velocità del metallo u e il campo magnetico costante
radiale B, induce in direzione ortogonale una densità di corrente elettrica J nel metallo
stesso, alternata alla stessa frequenza delle oscillazioni della velocità.
Questa densità di corrente alternata J genera un campo magnetico pulsante Bp e quindi un
flusso magnetico pulsante Φp che, concatenandosi con le spire di una bobina (avvolte
concentricamente attorno al condotto), vi induce una forza elettromotrice e
quindi una corrente elettrica sul carico i .
Le caratteristiche della corrente elettrica prodotta i dipendono dalla frequenza
dell’oscillazione termoacustica e dalle caratteristiche di bobina e del carico.
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OBTAINED CONFIGURATION
Capacity
Coil
connected
with the
load
Load
High magnetic
Permeability
Material***
Strozzamenti che aumentano
la velocità del fluido
u
Pulsation of
The interface
Gas : He elio
Gas : He elio
Metallo liquido: Na sodio
Permanent
magnet
Low magnetic
Permeability
material
***Il materiale ferromagnetico con permeabilità elevata è disposto in modo da concentrare il campo magnetico
nella zona in cui avviene la conversione MHD, garantendo la minima dispersione e la massima uniformità del
flusso magnetico;
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Elementi principali del motore MHD a induzione
n turns of cross section S
b
DU = - dF/dt
Induced
electric current
F = b.n.S
R
DU
Ring of permanent magnet
producing DC magnetic field
Coil of n turns
Induced AC magnetic field
Electro conducting
media of alternative motion
. .
Induced AC
electric current
Induced electric current
Load resistance
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Elementi principali del motore MHD a induzione
N spire con sezione trasversale S
b
DU = - dF/dt
F = b.n.S
R
Corrente elettrica indotta
DU
Anello di magnete permanente che
produce un campo magnetico c.c.
Bobina con n spire
Campo magnetico indotto in a.c.
Mezzo che conduce elettricità in
movimento alternativo
. .
Corrente elettrica indotta in c.a.
Corrente elttrica indotta
Resistenza del carico
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MHD GENERATOR: THE DRAWING
Ferromagnetic material
Liquid metal flow
Magnet
The coil
MHD GENERATOR: CROSS SECTION
Ferromagnetic material
Insulating
material
Magnet
Liquid metal flow
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Nelle slide precedenti sono riportate le sezioni longitudinali e trasversale
semplificate del generatore, si può vedere come:
1)Il materiale ferromagnetico con permeabilità elevata è disposto in modo da
concentrare il campo magnetico nella zona in cui avviene la conversione
MHD, garantendo la minima dispersione e la massima uniformità del flusso
magnetico;
2) Il condotto è sagomato in modo da creare uno strozzamento che porti
all’accelerazione del metallo liquido;
3) La forma del condotto e quindi del nucleo favoriscono il compattamento
del dispositivo, perché consentono di avvicinare il magnete permanente ad
anello e l’avvolgimento che alimenta il carico, verso l’asse del generatore.
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Quindi, riassumendo, il sistema necessita di 2 fluidi:
• un gas nobile elio (He) nel generatore termoacustico, nel quale si sviluppa
l’onda di pressione e
• un metallo liquido sodio(Na) nella generatore MHD in cui avviene la
conversione di energia meccanica in elettrica;
da qui la necessità di una membrana di interfaccia stack***, che trasferisca la
vibrazione tra i 2 fluidi, caratterizzati da impedenze acustiche differenti; alla scelta
ed al dimensionamento di tale membrana è legata una delle problematiche più
difficili da risolvere nella progettazione di questo generatore; la membrana infatti
costituisce un elemento soggetto ad usura e a rischio di rottura.
Un altro inconveniente è legato all’impiego di un metallo liquido. Infatti il suo peso
comporta una conseguente l’inerzia.
Ma l’inconveniente maggiore è legato alla elevata esplosività del sodio che
generalmente viene usato come fluido vettore.
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stack***, è l’ elemento posizionato all’interno del tubo, che funge da separatore tra zona calda e fredda
e che trasferisce la vibrazione tra i 2 fluidi caratterizzati da impedenze acustiche differenti)
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Descrizione del generatore
La forma del canale in cui oscilla il fluido può essere modificata per ottenere una
migliore efficienza energetica.
Il generatore MHD stesso deve essere accoppiato con il generatore di termoacustico per ottenere un sistema autonomo, come illustrato in figura.
Per ottimizzare l’efficienza del dispositivo e garantire al raggiungimento delle
condizioni di risonanza, il generatore MHD viene generalmente collocato tra due
tubi termo-acustici.
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Descrizione del generatore
Il sistema è basato sull'impiego di gas come fluido termodinamico; tale gas sarà
sede nello stadio termoacustico dell’omonimo fenomeno, che fornisce energia
meccanica al gas stesso; il metallo liquido (sodio) nello stadio MHD sarà sede
della conversione dell'energia meccanica in energia elettrica.
Il sodio è il fluido più appropriato per questo trasferimento di energia, per la sua:
•
bassa densità , che limita gli effetti dovuti all'inerzia;
• elevata conducibilità elettrica σ che lo rende sensibile alla influenza di un
campo magnetico.
Il problema dell'interfaccia liquido-gas può essere risolto utilizzando la gravità
terrestre, perché ponendo il generatore MHD sul fondo del sistema e le due parti
termo-acustiche in alto.
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