CH370476A - Magnetohydrodynamic generator - Google Patents

Magnetohydrodynamic generator

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CH370476A
CH370476A CH7686559A CH7686559A CH370476A CH 370476 A CH370476 A CH 370476A CH 7686559 A CH7686559 A CH 7686559A CH 7686559 A CH7686559 A CH 7686559A CH 370476 A CH370476 A CH 370476A
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CH
Switzerland
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walls
magnetic field
gas
generator
generator according
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Application number
CH7686559A
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German (de)
Inventor
Kaech Alfred
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K44/00Machines in which the dynamo-electric interaction between a plasma or flow of conductive liquid or of fluid-borne conductive or magnetic particles and a coil system or magnetic field converts energy of mass flow into electrical energy or vice versa
    • H02K44/08Magnetohydrodynamic [MHD] generators
    • H02K44/12Constructional details of fluid channels

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)

Description

  

      Magnetohydrodynamischer    Generator    Unter dem Begriff      Magnetohydrodynamischer     Generator  wird bekanntlich eine Einrichtung zur  direkten Umwandlung von Wärmeleistung in elek  trische Leistung verstanden. Die Einrichtungen, auf  welche sich im Hinblick auf die Erzeugung hoher  elektrischer Leistungen das Interesse zur Zeit konzen  triert, umfassen     (Fig.   <B>1)</B> einen Kanal K von beispiels  weise quadratischem Querschnitt, der von ionisier  tem Gas durchströmt wird. Durch das eine Paar  <I>a,<B>b</B></I> der Seitenwände hindurch wird quer zur Strö  mungsrichtung v des Gases ein magnetisches Feld  H gelegt.

   Die übrigen Wände     c    und<B>d</B> sind mit<B>je</B>  einer Elektrode<B>E,</B>     bzw.   <B>E2</B> versehen, welche dem  Gas ausgesetzt ist. Zwischen diesen beiden Elektro  den entsteht beim Betrieb des     Generators    eine Gleich  spannung, deren Höhe unter anderem von der Strö  mungsgeschwindigkeit des Gases und von der magne  tischen Feldstärke abhängt.

   Untersuchungen liessen  erkennen,     dass    mit derartigen Einrichtungen bei  Kanallängen von der Grössenordnung<B>10</B> m, Kanal  querschnitten von der Grössenordnung<B>1</B>     ni-2,    Strö  mungsgeschwindigkeiten des Gases (Luft von rund       20000K)    in der Grössenordnung<B>1000</B> m/s und  Magnetfeldern in der Grössenordnung<B>10 000</B>     Gs    elek  trische Leistungen von mehr als<B>100</B> MW bei Span  nungen in der Grössenordnung<B>1000</B> V erzielbar sind.  



  Es ist auch vorgeschlagen worden, als Magnet  feld ein um die Längsachse des Kanals rotierendes  Drehfeld zu verwenden. Der Generator erzeugt dann  Wechselstrom, dessen Frequenz mit der Drehge  schwindigkeit des Drehfeldes übereinstimmt. Wird  ein solcher Generator mit drei Elektroden versehen,  so kann direkt Drehstrom in Dreieckschaltung abge  nommen werden.  



  Beim     Durchfluss    des ionisierten Gases durch das  Magnetfeld treten an dessen Anfang und Ende Wir  belströme auf, welche in Flächen verlaufen, die auch    die elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden  enthalten. Durch diese Wirbelströme wird das Ma  gnetfeld auf der Seite des Gaseintritts geschwächt,  auf der Seite des Gasaustritts verstärkt. Dement  sprechend sind die auf der Austrittsseite entstehen  den     Wirbelstromverluste    grösser als die eintrittsseitig  entstehenden.

   Da zudem diese letzteren wenigstens  teilweise wieder in nutzbare elektrische Leistung  umgewandelt werden, während dies bei den     austritts-          seitig    entstehenden Verlusten nicht der Fall ist, wird  in der Regel danach getrachtet, wenigstens die     aus-          trittsseitigen    Wirbelströme so klein wie möglich zu  halten. Die     Wirbelstromverluste    sind von der Bela  stung des     Generators    weitgehend unabhängig.

   Der  Anteil der     Wirbelstromverluste    an der vom Gene  rator erzeugten elektrischen Leistung wird bei gege  bener Belastung um so kleiner,<B>je</B> grösser die aktive  Länge des     Generators    im Vergleich zum     Elektro-          denabstand    gewählt wird. Bei einem Verhältnis von  <B>1 : 1</B> beträgt der genannte Anteil, bezogen auf opti  male Leistungsentnahme, etwa     3011/o-,    bei wachsen  der     Generatorlänge    wird er rasch kleiner. Die Be  kämpfung der Wirbelströme ist also insbesondere  bei verhältnismässig kurzen oder verhältnismässig  schwach belasteten Generatoren wichtig.  



  Während nun Gleichstromgeneratoren in weiten  Grenzen beliebig lang sein können, wodurch Mass  nahmen zur Verkleinerung der     Wirbelstromverluste     in vielen Fällen entbehrlich werden, wird die aktive  Länge bei Wechselstromgeneratoren im allgemeinen  verhältnismässig ]dein sein müssen. Dies ist darin  begründet,     dass    das rotierende Magnetfeld im Gas  selbst Wirbelströme erzeugt.

   Wenn nun auch die auf  diesem Wege hervorgebrachte Wärme im Genera  tor selbst wenigstens teilweise wieder in nutzbare  elektrische Leistung umgewandelt wird, so     muss    sie  doch durch das Magnetsystem erzeugt werden, wo-      durch dieses für eine unwirtschaftlich grosse Lei  stungsfähigkeit bemessen werden     muss.    Die Mass  nahmen zur Verkleinerung der weiter oben behan  delten     Wirbelstromverluste    sind demnach bei Wech  selstromgeneratoren von besonderer Bedeutung.  



  Die Erfindung betrifft nun derartige Massnahmen.  Sie beruht auf dem Gedanken, an den fraglichen  Stellen Bewegungen von Ladungsträgern in der  Richtung der elektrischen Kraftlinien zu verhindern.  Demgemäss ist ein erfindungsgemässer Generator da  durch gekennzeichnet,     dass    mindestens nahe der  Austrittsstelle des Gases aus dem Magnetfeld, aber  ausserhalb dieses Magnetfeldes, elektrisch isolierende  Wände zur Begrenzung der Bewegungen von La  dungsträgem in der Richtung senkrecht zum Magnet  feld und senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases  angeordnet sind.  



  Die     Fig.    2 und<B>3</B> zeigen als erstes Ausführungs  beispiel der Erfindung einen Generator zur Erzeu  gung von Gleichstrom im Längsschnitt     bzw.    im  Querschnitt. In     Fig.    2 ist die Umgebung der Aus  trittsstelle des Gases aus dem Magnetfeld darge  stellt, welches sich     yon    links her bis an die Enden  der Elektroden     E,    und<B>E,</B> erstreckt. Gemäss der  Erfindung sind nahe dieser Stelle die Wände W aus  Isoliermaterial angeordnet. Sie stehen senkrecht zu  den zwischen den Elektroden verlaufenden elektri  schen Feldlinien und verhindern daher den Trans  port elektrischer Ladungen in Feldrichtung über  grössere Distanzen.

   Die gestrichelten Linien deuten  den Verlauf der Wirbelströme an, wie er sich bei  Abwesenheit der erfindungsgemäss     vorzustehenden     Massnahme einstellen würde. Die Wände liegen gänz  lich ausserhalb des für die Stromerzeugung ausgenütz  ten Magnetfeldes, damit sie nicht die beabsichtigte  Verteilung der Ladungsträger (Elektronen und Ionen  des Gases) auf die beiden Elektroden<B>je</B> nach dem  Vorzeichen der Ladung behindern. Eine gleichartige  Anordnung von isolierenden Wänden kann auch nahe  der Eintrittsstelle des Gases in das Magnetfeld vor  gesehen werden.  



  Die     Fig.    4 und<B>5</B> zeigen als weitere Ausführungs  beispiele Wandformen, wie sie für Generatoren zur  Erzeugung von Drehstrom geeignet sind, welche drei  Elektroden<B>E"<I>E2,</I> E,</B> enthalten und bei denen ein  um die Achse des Kanals rotierendes magnetisches  Drehfeld zur Anwendung kommt. Mit diesem Feld  drehen sich auch die Kraftlinien des elektrischen  Feldes, so     dass    jetzt eine Begrenzung der Bewegung    von Ladungsträgern nicht mehr nur in senkrechter  Richtung wie beim Generator nach     Fig.    2 und<B>3,</B>  sondern in allen Richtungen senkrecht zur Kanal  achse notwendig ist.

   Dies kann gemäss     Fig.    4 durch  eine konzentrische Anordnung von mehreren     kreis-          zylinderförmigen    Wänden     Wk-    geschehen, die wenig  stens in ihren äusseren Zonen durch radiale Wände  W, ergänzt ist. Derselbe Effekt wird durch die in       Fig.   <B>5</B> gezeigte Anordnung zweier senkrecht aufein  ander stehender Gruppen von ebenen Wänden er  zielt.  



  Die Wände sind natürlich so zu gestalten,     dass    sie  der Strömung des Gases möglichst wenig Widerstand  entgegensetzen. Sie können auch hohl ausgebildet  sein, um das Durchleiten eines kühlenden     und/oder     die     Isoherfähigkeit    verbessernden Mediums zu er  lauben.



      Magnetohydrodynamic generator The term magnetohydrodynamic generator is known to mean a device for the direct conversion of thermal power into elec trical power. The facilities on which the interest is currently concentrated with regard to the generation of high electrical powers include (Fig. 1) A channel K of, for example, a square cross-section through which ionized gas flows . A magnetic field H is placed through one pair of the side walls transversely to the flow direction v of the gas.

   The remaining walls c and <B> d </B> are provided with <B> each </B> an electrode <B> E, </B> or <B> E2 </B>, which are exposed to the gas is. When the generator is operating, a direct voltage is generated between these two electrodes, the level of which depends, among other things, on the flow speed of the gas and the magnetic field strength.

   Investigations have shown that with such devices, with duct lengths of the order of <B> 10 </B> m, duct cross-sections of the order of <B> 1 </B> ni-2, gas flow rates (air of around 20,000K) in the order of magnitude <B> 1000 </B> m / s and magnetic fields in the order of magnitude <B> 10 000 </B> Gs electrical outputs of more than <B> 100 </B> MW at voltages in the order of magnitude <B> 1000 </B> V can be achieved.



  It has also been proposed to use a rotating field rotating about the longitudinal axis of the channel as the magnetic field. The generator then generates alternating current, the frequency of which corresponds to the speed of the rotating field. If such a generator is provided with three electrodes, three-phase current can be taken directly in a delta connection.



  When the ionized gas flows through the magnetic field, vortex currents occur at its beginning and end, which run in areas that also contain the electric field lines between the electrodes. These eddy currents weaken the magnetic field on the gas inlet side and strengthen it on the gas outlet side. Accordingly, the eddy current losses that occur on the outlet side are greater than those that occur on the inlet side.

   Since the latter are also at least partially converted back into usable electrical power, while this is not the case with the losses arising on the outlet side, efforts are generally made to keep at least the eddy currents on the outlet side as small as possible. The eddy current losses are largely independent of the load on the generator.

   The share of eddy current losses in the electrical power generated by the generator becomes smaller for a given load, the greater the selected active length of the generator is compared to the electrode spacing. With a ratio of <B> 1: 1 </B>, the mentioned proportion, based on optimal power consumption, is around 3011 / o-; as the generator length increases, it quickly decreases. Fighting the eddy currents is therefore particularly important in the case of relatively short or relatively lightly loaded generators.



  While direct current generators can now be of any length within wide limits, which means that measures to reduce eddy current losses can be dispensed with in many cases, the active length of alternating current generators will generally have to be relatively] your. This is due to the fact that the rotating magnetic field itself generates eddy currents in the gas.

   Even if the heat produced in this way is at least partially converted back into usable electrical power in the generator itself, it still has to be generated by the magnet system, which means that it has to be measured for an uneconomically high performance. The measures to reduce the eddy current losses treated above are therefore of particular importance in the case of alternating current generators.



  The invention now relates to such measures. It is based on the idea of preventing the movement of charge carriers in the direction of the electrical lines of force at the points in question. Accordingly, a generator according to the invention is characterized in that electrically insulating walls to limit the movements of charge carriers in the direction perpendicular to the magnetic field and perpendicular to the direction of flow of the gas are arranged at least near the exit point of the gas from the magnetic field, but outside this magnetic field .



  2 and <B> 3 </B> show, as a first embodiment of the invention, a generator for generating direct current in longitudinal section and in cross section. In Fig. 2, the area around the exit point of the gas from the magnetic field is Darge, which extends from the left to the ends of the electrodes E, and <B> E, </B>. According to the invention, the walls W made of insulating material are arranged near this point. They are perpendicular to the electrical field lines running between the electrodes and therefore prevent the trans port of electrical charges in the field direction over greater distances.

   The dashed lines indicate the course of the eddy currents as it would arise in the absence of the measure to be provided according to the invention. The walls lie completely outside of the magnetic field used to generate electricity, so that they do not hinder the intended distribution of the charge carriers (electrons and ions of the gas) on the two electrodes according to the sign of the charge. A similar arrangement of insulating walls can also be seen near the point of entry of the gas into the magnetic field.



  4 and <B> 5 </B> show as further embodiment examples of wall shapes, as they are suitable for generators for generating three-phase current, which have three electrodes <B> E "<I> E2, </I> E, </B> and in which a rotating magnetic field rotating around the axis of the channel is used. With this field, the lines of force of the electric field also rotate, so that the movement of charge carriers is no longer limited in a vertical direction as with Generator according to Fig. 2 and <B> 3, </B> but in all directions perpendicular to the channel axis is necessary.

   According to FIG. 4, this can be done by a concentric arrangement of several circular cylindrical walls Wk, which is supplemented by radial walls W at least in its outer zones. The same effect is achieved by the arrangement of two groups of flat walls that are perpendicular to one another, as shown in FIG. 5.



  The walls must of course be designed in such a way that they offer as little resistance as possible to the flow of the gas. They can also be made hollow in order to allow the passage of a cooling medium and / or a medium which improves the insulating capacity.

 

Claims (1)

<B>PATENTANSPRUCH</B> Magnetohydrodynamischer Generator, der einen von ionisiertem Gas durchströmten Kanal und Mittel zur Erzeugung eines quer zur Strömungsrichtung des Gases verlaufenden Magnetfeldes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens nahe der Austritts stelle des Gases aus dem Magnetfeld, aber ausser halb dieses Magnetfeldes, elektrisch isolierende Wände zur Begrenzung der Bewegungen von La dungsträgern in der Richtung senkrecht zum Magnet feld und senkrecht zur Strömungsrichtung des Gases angeordnet sind. <B> PATENT CLAIM </B> Magnetohydrodynamic generator, which comprises a channel through which ionized gas flows and means for generating a magnetic field running transversely to the direction of flow of the gas, characterized in that at least near the exit point of the gas from the magnetic field, but outside of it this magnetic field, electrically insulating walls to limit the movements of load carriers in the direction perpendicular to the magnetic field and perpendicular to the direction of flow of the gas are arranged. UNTERANSPRüCHE <B>1.</B> Generator nach Patentanspruch zur Erzeugung von Gleichstrom, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände eben und parallel zueinander in Richtung des magnetischen Feldes angeordnet sind. 2. Generator nach Patentanspruch zur Erzeugung von Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gruppen von ebenen, zueinander parallelen Wän den senkrecht zueinander angeordnet sind. <B>3.</B> Generator nach Patentanspruch zur Erzeugung von Wechselstrom, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gruppe von zueinander koaxialen Wänden und eine Gruppe von radial verlaufenden ebenen Wänden an geordnet sind. 4. SUBClaims <B> 1. </B> Generator according to patent claim for generating direct current, characterized in that the walls are arranged flat and parallel to one another in the direction of the magnetic field. 2. Generator according to claim for generating alternating current, characterized in that two groups of flat, mutually parallel walls are arranged perpendicular to each other. <B> 3. </B> Generator according to claim for generating alternating current, characterized in that a group of mutually coaxial walls and a group of radially extending flat walls are arranged. 4th Generator nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wände zwecks Durchleitung eines Mediums hohl ausgebildet sind. Generator according to patent claim, characterized in that the walls are designed to be hollow for the purpose of passage of a medium.
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