8e_EAIEE_MAGNETOIDRODINAMICA (ultima modifica 02/12/2015) Generatore termo acustico 1
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. 2
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. 3
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. 4
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, 5
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. 6
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. 7
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 B u Gas: elio (He) Metallo liquido: sodio (Na) Φ p 8
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 B p e quindi un flusso magnetico pulsante Φ p 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. 9
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 Permanent magnet Low magnetic Permeability material Metallo liquido: Na sodio ***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; 10
Elementi principali del motore MHD a induzione b n turns of cross section S DU = - df/dt Induced electric current Coil of n turns R DU F = b.n.s Ring of permanent magnet producing DC magnetic field Induced AC magnetic field Electro conducting media of alternative motion.. Induced AC electric current Induced electric current Load resistance 11
Elementi principali del motore MHD a induzione b N spire con sezione trasversale S DU = - df/dt Corrente elettrica indotta Bobina con n spire R DU F = b.n.s Anello di magnete permanente che produce un campo magnetico c.c. 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 12
MHD GENERATOR: THE DRAWING Ferromagnetic material Liquid metal flow Magnet The coil MHD GENERATOR: CROSS SECTION Ferromagnetic material Insulating material Magnet Liquid metal flow 13
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. 14
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. **************************************************************************** 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) 15
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. 16
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. 17