بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، شبیهسازی جریان هیدرودینامیک مغناطیسی - - Magneto Hydro Dynamic فروصوت در ژنراتور هیدرودینامیک مغناطیسی صورت گرفته و اثر آن بر راندمان و توان الکتریکی سیکل ترکیبی سهگانه بررسی شده است. کانال فارادی دو بعدی مقطع ثابت با الکترودهای گسسته به عنوان ژنراتور هیدرودینامیک مغناطیسی در نظر گرفته شده است. جریان هیدرودینامیک مغناطیسی، ایدهآل و با رینولدز مغناطیسی پایین در نظر گرفته شده که برای شبیهسازی آن از نرم افزاز فلوئنت - FLUENT - استفاده شده است. سیکل ترکیبی سهگانه پیشنهادی در تحقیق حاضر شامل سیکل باز ژنراتور هیدرودینامیک مغناطیسی بهعنوان مولد بالادستی، سیکل توربین گاز بهعنوان سیکل میانی و چرخه توربین بخار به عنوان سیکل پایین دستی میباشد.
با نرمافزار متلب - MATLAB - یک کد برای روابط ترمودینامیکی حاکم بر سیکل ترکیبی سهگانه نوشته شده و عملکرد سیکل بر پایه ی ژنراتور هیدرودینامیک مغناطیسی تجزیه و تحلیل شده است. استفاده از ژنراتور هیدرودینامیک مغناطیسی در سیکل ترکیبی سهگانه تنها برای تولید توان الکتریکی منطقی نمیباشد و باید برای تولید همزمان حرارت و توان الکتریکی به کار برده شود. در همین راستا علاوه بر استفاده از حرارت خروجی از ژنراتور برای سیکلهای پاییندستی، استفاده از آن حرارت برای پیشگرم کردن هوای مورد نیاز محفظه احتراق تاکید میشود. نتایج نشان میدهد که برای ژنراتور ام.اچ.دی مقطع ثابت فروصوت حالت بهینه در ماخ 0/3 تا 0/4 تحت شدت میدان مغناطیسی 4 تا 6 تسلا اتفاق میافتد؛ نسبت استخراج آنتالپی ژنراتور ام.اچ.دی در ماخ 0/ 3 و شدت میدان مغناطیسی 6 تسلا به 12/27 درصد میرسد که این ژنراتور راندمان سیکل ترکیبی سهگانه را به 63/59 درصد میرساند.
واژگان کلیدی: ژنراتور ام.اچ.دی فارادی، سیکل باز ام.اچ.دی، سیکل ترکیبی سهگانه، شرط مرزی الکترود، پارامتر موثر، جریان ام.اچ.دی مادون صوت.
مقدمه
ژنراتورهای ام.اچ.دی1 سیستمهای پربازدهی تبدیل انرژی هستند که انرژی جنبشی گاز هادی الکتریسیته یا مایع را بدون نیاز به هیچ قسمت چرخانی، به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند .[1] تولید توان الکتریکی در این ژنراتورها، از قانون فارادی مربوط به القای الکترومغناطیس متحرک، نشأت میگیرد .[2] مبانی پایهای الکترومغناطیس، تاثیرات ام.اچ.دی و یونیزاسیون حرارتی در سالهای 1920-1832 مورد توجه بوده است، در سال های 1960-1940 تجربیات اولیه در رابطه با تولید توان مولد ام.اچ.دی و پایه ریزی احتراق پلاسمای تغذیه شده حاصل شده است، تا اینکه توسعه بیشتر تکنولوژی ام.اچ.دی بصورت آزمایشگاهی و در سطح های پایین نیروگاهی پیلوت از سال [3] 1960 تا به امروز حاصل شده است.
پارامترهای کارایی عمده برای ژنراتورهای ام.اچ.دی ، نسبت استخراج آنتالپی و راندمان الکتریکی است .[4] راندمان حرارتی ژنراتور ام.اچ.دی مقطع ثابت برای جریان زیرصوت در بهترین حالت حدود 20 درصد بدست آمده است [5] ولی به دلیل اینکه دمای کارکرد گاز باید بالای 2300 کلوین نگه داشته شود تا گاز قابلیت هدایت الکتریکی خود را حفظ کند. بنابراین ترکیب مناسبی برای بازیاب موثر حرارت از گازهای خروجی ژنراتور ام.اچ.دی مورد نیاز است که در آن ژنراتور ام.اچ.دی به عنوان یک مولد بالادستی یک سیکل ترکیبی مورد استفاده قرار گیرد .[6] در مراحل اولیه، سیکل ترکیبی بخار- هیدرودینامیک مغناطیسی برای دستیابی به راندمان الکتریکی 47 تا 48 درصد مورد مطالعه قرار گرفت که با هوای احتراقی غنی شده با اکسیژن که در مبدل حررارتی تا دمای 1000 کلوین پیشگرم شده بود کار می-کرد.[2]
بهعنوان نمونه سیکل ترکیبی شامل سیکل باز ام.اچ.دی 25 مگاواتی بهعنوان سیکل بالا دستی و سیکل توربین بخار بهعنوان سیکل پاییندستی با راندمان 33 در صد بهصورت آزمایشی در مسکو2 ساخته شد که سوخت مصرفی این سیکل گاز طبیعی بوده است.[7] راندمان سیکل باز هیدرودینامیک مغناطیسی با احتراق بهبود یافته با استفاده از هوای پیشگرم شده در مبدل حرارتی احیا کننده تا دمایحدوداً 2000 کلوین، 65 درصد تخمین زده شد.[8]ماکزیمم راندمان الکتریکی این ژنراتور نیز با در نظر گرفتن افت گرمایی ژول و صرفنظر از دیگر افتهای انرژی در حدود 50 درصد می باشد 6]،.[4
توان خروجی از ژنراتور ام.اچ.دی تابع دو اثر اساسی و وابسته به هم میباشد. اولا،ً حرکت سیال، یک نیروی محرکه ی الکتریکی القاء می کند که با میدان مغناطیسی موجود مطابقت خواهد داشت. ثاناً،ی یک جریان الکتریکی تحت میدان مغناطیسی، یک نیروی مکانیکی روی ذرات سیال اعمال خواهد شد که تمایل دارد آن ها را در جهت عمود بر جهت میدان مغناطیسی و جریان الکتریکی شتاب دهد. این اثر با نیروی لورنتز شرح داده می شود .[9] از این-رو معادلات حاکم بر ژنراتور ام.اچ.دی شامل معادلات ناویر- استوکس دارای ترم منبع الکترومغناطیسی، معادلات ماکسول و قانون اهم میباشد. اثر هال نیز که ناشی از نیروی لورنتز است باعث ایجاد زاویهای محدود میان میدان الکتریکی و جریان الکتریکی میشود .[10]
پارامتر هال که تابعی از شدت میدان مغناطیسی و خواص الکتریکی ذرات باردار است، در گازهای حاصل از احتراق کوچک میباشد، پس این پارامتر برای ژنراتورهای ام.اچ.دی بالادست سیکلها قابل صرفنظر میباشد.[11]در تحقیق حاضر هدف اصلی بررسی پارامترهای عملکردی سیکل ترکیبی سهگانه بر پایه ژنراتور ام.اچ.دی میباشد. از اینرو جریان درون این ژنراتور با کمک نرمافزار فلوئنت شبیهسازی عددی شده و مشخصههای خروجی آن وارد یک کد ترمودینامیکی حاکم بر اجزاء سیکل ترکیبی سهگانه شده است، تا بتوان عملکرد سیکل ترکیبی را بر پایه-ی ژنراتور ام.اچ.دی تجزیه و تحلیل کرد.
معادلات حاکم بر جریان درون ژنراتور ام.اچ.دی معادلات هیدرودینامیکی
معادلات ام. اچ.دی مربوط ژنراتور در حالت کلی شامل معادلات ناویر-استوکس دارای ترمهای چشمه الکترومغناطیسی، معادلات ماکسول و قانون اهم تعمیمیافته، میباشند. معادلات بقایی ناویر استوکس با ترمهای چشمهالکترومغناطیسی برای جریان تراکمپذیر دوبعدی با رینولدز مغناطیسی - - Rem udh کوچک، بهصورت زیر بیان میشود :[12]
