Vorrichtung mit einem Kanal zum Führen eines elektrisch leitenden Mediums Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung mit einem Kanal zum Führen eines elektrisch leiten den Mediums, das an den Wandungen des Kanals eine Grenzschicht zu bilden sucht, und mit einer Einrichtung zum Herstellen einer elektrischen Ver bindung mit dem genannten Medium. Ohne Be schränkung auf bestimmte Anwendungsgebiete wird die Erfindung im besonderen mit Bezug auf deren Anwendung bei MHD-Generatoren (mägnetohydro- dynamische Generatoren) beschrieben.
Bei MHD-Generatoren erzeugt die Bewegung eines elektrisch leitenden Mittels in bezug auf ein Magnetfeld eine elektromotorische Kraft, die zwi schen Elektroden, die mit dem genannten Mittel elektrisch in Verbindung stehen, einen Stromfluss bewirkt. Gewöhnlich aber nicht notwendigerweise besteht das elektrisch leitende Mittel aus einem ioni sierten unter Druck stehenden Gas mit einer hohen Temperatur, das sich beim Durchströmen des Gene- rators expandiert. Für ein wirksames Arbeiten und zwecks Aufrechterhaltung der leitenden Verbindung mit dem Gas verlaufen die Elektroden innerhalb des Generators parallel zur Richtung der Gasströ mung.
Die leitende Verbindung wird jedoch durch die Bildung einer aerodynamischen Grenzschicht ge schwächt, wenn die Gase an den Elektroden vorbei strömen. Die Erfindung bezweckt, diese Schwierig keit zu beseitigen und ein wirksameres Arbeiten des Generators zu fördern.
In einem MHD-Generator wird der Strom von der Strömung der Elektronen und der Ionen relativ zueinander getragen, wobei die Elektronen wegen ihrer viel kleineren Masse hieran am meisten be teiligt sind. Bei den meisten Ausführungen von iv1HD-Generatoren muss der Strom vom Gas aus zu den Elektroden und durch eine äussere Belastung fliessen. (Diese Elektroden üben bei einem MHD-Ge- nerator dieselbe Funktion aus wie die Stromab nehmerbürsten eines herkömmlichen Generators).
Wenn diese Elektroden mit den Wandungen des MHD-Generators fluchten, so muss der Strom der Elektronen und Ionen durch die aerodynamische Grenzschicht fliessen, um die Elektroden zu erreichen. Da die Wandungen im allgemeinen kühler sind als die Masse der Gasströmung, so wird die Grenz- schicht im allgemeinen abgekühlt und deionisiert und stellt deshalb einen schlechten Leiter dar, der dem Stromfluss einen verhältnismässig hohen Wider stand entgegensetzt.
Die erfindungsmässige Vorrichtung ist deshalb dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Einrich tung aus einer Anzahl von elektrischen Leitern ab gestufter Länge besteht, die in Abständen längs des Kanals angeordnet sind, wobei die Länge der Leiter so bemessen ist, dass diese sich durch die Grenzschicht hindurch erstrecken und eine elektrisch leitende Verbindung mit dem genannten Medium herstellen.
Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels ausführlich beschrieben. In den beiliegenden Zeichnungen ist die Fig. 1 eine schematische Darstellung eines her kömmlichen MHD-Generators, Fig. 2 ein Längsschnitt durch einen MHD-Gene- rator, dessen Elektroden erfindungsgemäss angeord net sind, Fig. 3 ein Längsschnitt Buch eine andere Aus führungsform eines MHD-Generators mit verbesser ten Elektroden, die an einen Belastungskreis ange schlossen sind,
der sich von dem in der Fig. 2 dargestellten unterscheidet, und die Fig. 4 ein Querschnitt durch einen MHD-Gene- rator nach der Linie 4-4 in der Fig. 3. Die Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen MHD-Ge- nerator mit einem Kanal 1, in den ein unter Druck stehendes elektrisch leitendes Gas geleitet wird, wie durch die Pfeile 2 angedeutet, aus welchem Kanal das Gas bei 3 (Pfeil) entströmt. Dem Kanal ist eine Spule 4 aus einem fortlaufenden elektrischen Leiter zugeordnet, durch den der Strom fliesst.
Dieser Strom erzeugt ein Magnetfeld, das sich quer durch den Kanal und senkrecht zur Richtung der Gas strömung erstreckt. Die Stromversorgung der Spule kann durch eine herkömmliche Stromquelle oder durch den Generator selbst erfolgen, aus welchem Grunde die Stromquelle nicht dargestellt ist. Die Seitenwandung des Kanals ist ausgeschnitten, um zwei Elektroden 5 und 6 zu zeigen, die über einen Leiter 7 mit einer Belastung verbunden sind. Die Elektroden liegen einander gegenüber und senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes und der Richtung der Gasbewegung.
Als Beispiel, jedoch ohne Beschränkung hierauf sei erwähnt, dass das elektrisch leitende Gas aus Helium oder Argon mit einem Zusatz von unge fähr 1% Natrium, Pottasche oder Zäsium zur För derung der Ionisation bestehen kann. Die Ionisation wird ferner gefördert durch die hohe Temperatur der Gasströmung, die in der Grössenordnung von 3000 Kelvin liegen kann. Ein in den Generator mit einem Druck von 10 Atm. eintretendes Gas mit einer solchen Zusammensetzung kann eine Leit fähigkeit aufweisen, die in der Grössenordnung von <B>100</B> Siemens pro Meter liegt.
Durch die Bewegung des elektrisch leitenden Gases durch das Magnetfeld wird zwischen den Elektroden 5 und 6 eine EMK induziert, wie durch die Pfeile bei 9 angedeutet. Infolgedessen fliesst durch den Belastungskreis von den Elektroden aus ein elektrischer Strom. Es wird darauf hingewiesen, dass der Generator keine beweglichen Teile aufweist, und dass tatsächlich die Strömung eines elektrisch leiten den Gases zum Erzeugen von elektrischer Energie in derselben Weise benutzt wird wie bei einem herkömmlichen Generator durch die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld.
Die Bewegung des Gases über die Oberfläche der Elektroden 5 und 6 bewirkt die Bildung einer aerodynamischen Grenzschicht. Die Grenzschicht ist die Folge der Viskosität des über die ortsfesten Flächen der Elektroden und der Wandungen des Kanals strömenden Gases. Die Grenzschicht ist ein Anzeichen für das Vorhandensein einer trägen und sich verhältnismässig langsam bewegenden Gasschicht.
Da diese sich in der- Nähe der Elektroden befindet, die notwendigerweise wegen der Wärmeabstrahlung in die Umgebung kühler sind als die Gasströmung, so ist die Durchschnittstemperatur der Grenzschicht niedriger als die der Hauptgasströmung. Infolge dessen tritt eine Deionisation ein,
so dass die elek trische Leitfähigkeit der Grenzschicht kleiner ist als die der Hauptgasströmung. Durch die verminderte Leitfähigkeit des Gases in der unmittelbaren Nähe der Elektroden wird der Stromfluss von der Gas strömung aus zu den Elektroden behindert und da durch das Arbeiten des Generators beeinträchtigt, wobei unter gewissen Betriebsbedingungen dessen Wirkungsgrad erheblich herabgesetzt werden kann.
Die Fig. 2 zeigt einen MHD-Generator mit einer verbesserten Elektrodenanordnung, mit deren Hilfe die nachteilige Wirkung der Grenzschicht beseitigt wird. Wie aus der Fig. 2 zu ersehen ist, tritt das elektrisch leitende Gas in den Kanal bei 11 ein und bei 12 aus. Die durch unterbrochene Linien dargestellte Spule 13 erzeugt ein Magnetfeld quer zum Generator und senkrecht zur Gasströmung.
Anstelle der ununterbrochen verlaufenden Elek troden nach der Fig. 1 bestehen die Elektroden nach der Fig. 2 aus einzelnen Abschnitten, und zwar die obere Elektrode aus den Abschnitten 14-18 und die untere Elektrode aus den Abschnitten 19-23.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Elektroden am Kanal 10 von diesem elektrisch isoliert befestigt sind und eine abgestufte Länge aufweisen, wobei sie vom Eingang des Kanals aus zu dessen Aus gang hin allmählich länger werden. Mit anderen Worten, die Elektrode 18 erstreckt sich weiter in den Kanal hinein als die Elektrode 14. Dasselbe gilt für die Elektrode 23, die sich über eine grössere Strecke in den Kanal hinein erstreckt als die Elek trode 19.
Durch die gestrichelten Linien 24 und 25 sind aerodynamische Grenzschichten dargestellt, die sich an den Wandungen des Kanals bilden. Aus Gründen der Deutlichkeit sind diese Grenzschichten etwas vergrössert dargestellt. Wie bereits erwähnt, bestehen diese Grenzschichten aus Gas, das verhältnismässig kälter ist als die Hauptgasströmung 11 und daher eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist. Um die Wirkung dieser verminderten Leitfähigkeit zu beseitigen, ist die Länge der Elektroden so bemessen, dass sie sich durch die Grenzschicht hindurch in den Hauptteil der Gasströmung hinein erstrecken, die durch den Kanal strömt. Dies ist bei den Elek troden 14-18 deutlich zu erkennen.
Es sei darauf hingewiesen, dass jede Elektrode durch die Grenz- schicht hindurchragt. Dasselbe gilt für die Elektroden 19-23, die durch die Grenzschicht 25 hindurch ragen und eine elektrische Verbindung mit der Haupt gasströmung herstellen.
Lediglich aus Darstellungsgründen sind die Elek- trodenabschnitte l4-18 zum Leiter 26 parallelge schaltet, der zur Belastung 27 führt. Der Leiter 28 schliesst den Belastungskreis und ist zu den Elektro- denabschnitten l9-23 und zur Belastung 27 par allelgeschaltet. Dadurch, dass die Elektroden in die sich bewegende Gasströmung hineinragen, entsteht die Tendenz, die Bildung der Grenzschicht zu för dern und zu verstärken. Jedoch werden die Ver luste, die bei einer stärkeren Grenzschicht auftreten, mehr als aufgewogen durch die verbesserte Leit fähigkeit, die mit der Gasströmung aufrechterhalten werden kann.
Die Vorzüge der vorliegenden Elektrodenanord- nung sind in keiner Weise abhängig von dem Be lastungskreis des Generators. Dies geht aus der Fig. 3 hervor, die eine Verbindung der Elektroden mit einer anderen Art von äusserem Belastungskreis zeigt. Die Fig. 3 zeigt einen Kanal 30, in den das elek trisch leitende heisse Gas bei 31 eintritt und bei 32 austritt. Wie bei den vorhergehenden Ausfüh rungsformen ist eine durch unterbrochene Linien dargestellte Spule 33 vorgesehen, die ein Magnet feld senkrecht zu der sich bewegenden Gasströmung erzeugt.
Ferner sind an den gegenüberliegenden Sei ten des Kanals mehrere Elektrodenabschnitte ange ordnet, und zwar wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, die Elektrodenabschnitte 34-40 am oberen Teil und die Elektrodenabschnitte 41-47 am unteren Teil des Kanals. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der obere und der untere Teil des Kanals mit gesonderten Belastungen verbunden sind, wie nun mehr beschrieben wird.
Die einander gegenüberstehenden Elektrodenab- schnitte 34 und 41 stehen über die Leiter 48 und 49 mit einer besonderen Belastung 50 in Verbindung. Die Belastung 50 kann aus einem herkömmlichen Wechselrichter mit einer Spule 51 als Ausgang be stehen. Die Spule 51 kann eine von mehreren Pri märwicklungen eines Transformators 52 sein, dessen Sekundärwicklung mit einem nicht dargestellten Stromkreis verbunden ist, der mit Wechselstrom versorgt werden soll.
Ebenso kann an die einander gegenüberstehenden Elektrodenabschnitte 35 und 42 ein gesonderter Wechselrichter 54 angeschlossen sein, der eine Spule 54a aufweist. Diese Anordnung wie derholt sich bei je zwei einander gegenüberstehen den Elektrodenabschnitten.
Wie bei der Ausführungsform nach der Fig. 2, weisen die Elektrodenabschnitte nach der Fig. 3 eine abgestufte Länge auf, die der Dicke der Grenz- schichten 55 und 56 entspricht. Wie bereits bei der Fig. 2 beschrieben, ragt daher der Elektroden abschnitt 40 in den Kanal weiter hinein als der Elektrodenabschnitt 34, so dass jede Elektrode mit dem Hauptteil der Gasströmung in elektrisch leiten der Verbindung steht.
Da die in der Fig. 3 dargestellten Elektroden abschnitte voneinander elektrisch getrennt sind, so liegen an ihnen elektrische Potentiale, die der Po tentialverteilung infolge der Trennung der Elektronen und Ionen in der Längsrichtung innerhalb der sich bewegenden Gasströmung entsprechen. Dies hat den Vorteil, dass jeder Tendenz einer inneren Zirkulation der Hall-Ströme im Innern des Generators entgegen gewirkt wird.
Trotz des Umstandes, dass an den einander gegenüberstehenden Abschnitten verschie den hohe Potentiale liegen, je nach der Stelle, an der sich die Elektrodenabschnitte im Kanal befinden, so ist der Potentialunterschied zwischen je zwei gegenüberstehenden Elektrodensegmenten im wesent lichen der gleiche.
Wie in der Fig. 4 dargestellt, können mehrere Elektrodenabschnitte in der Querebene des Gene- rators verwendet werden. Nach der Fig. 4 können anstelle der Elektrodenabschnittes 34 drei Elektro- denabschnitte 34a-34c verwendet werden. Diese Ab schnitte können zu einem Leiter 48a parallelge schaltet werden, an den eine mit dem Wechsel richter 50 nach der Fig. 3 vergleichbare Belastung 50a angeschlossen ist.
In der gleichen Weise kann der Elektrodenabschnitt 41 durch ähnliche Elektro- denabschnitte 41a-41c ersetzt werden, die parallel zu einem Leiter 49a geschaltet sind, an den eine Belastung 50a angeschlossen ist. Daraus ist zu er sehen, dass die in der Fig. 3 dargestellten einander gegenüberstehenden einzelnen Elektroden 34 und 41 aus mehreren Elektrodenabschnitten bestehen kön nen, die in einer Querebene angeordnet und mit einer Belastung verbunden sind. Eine solche An ordnung der Elektrodenabschnitte ermöglicht eine volle Ausnutzung des Querschnittes des Kanals bei der Bildung der Strompfade durch die Gasströmung.
Wenn gewünscht, können die einzelnen Elektro- denabschnitte 34a-34c für sich an einzelne Strom kreise angeschlossen werden und gesonderte Wechsel richter mit Strom versorgen. Da eine solche Ab wandlung nach der vorstehenden Beschreibung nahe liegt, so erübrigt sich eine besondere Beschreibung.
Die Länge eines bestimmten Elektrodenabschnit- tes kann nach der Dicke der Grenzschicht in der Nähe des betreffenden Abschnittes bestimmt werden. Im allgemeinen ist die Dicke der Grenzschicht pro portional der Quadratwurzel der Länge des vom Gas durchströmten Pfades.
Nunmehr soll die Bedeutung der Erfindung ein gehend gewürdigt werden. Wie bereits erläutert, ist es für das Arbeiten des MHD-Generators wichtig, dass zwischen den Elektroden und der Gasströmung ein elektrisch leitender Pfad aufrechterhalten wird. Dadurch, dass die Länge der Elektroden grösser bemessen wird als die Dicke der Grenzschicht be trägt, kann die leitende Verbindung mit der Gas strömung unter allen Betriebsbedingungen aufrecht erhalten werden. Daher kann der Nachteil der Grenz- schicht, die bei jeder derartigen Einrichtung anzu treffen ist, ausser Acht gelassen werden.
Bei Ver wendung der verbesserten Elektrodenanordnung kann auf eine Heizung der Elektroden und besonders der als Kathoden dienenden verzichtet werden, und zwar bis zu der Stelle, an der eine Elektronen- emission gesichert ist. Bei dem guten Leiten zwi schen den Elektroden und der Gasströmung er folgt die Bildung eines Lichtbogens zwischen den Elektroden und der Grenze des Gasstroms infolge der induzierten EMK mit Sicherheit.
Bei dem MHD- Generator hat die Erfindung daher eine besondere Bedeutung in bezug auf die Anordnung der Kathoden anstatt von Anoden; es versteht sich jedoch, dass nach der Lehre der vorliegenden Erfindung herge stellte Anoden gleichfalls den Gesamtwirkungsgrad der Einrichtung erhöhen.
Ein weiterer Vorzug der neuartigen Anordnung der Elektroden und besonders der in den Fig. 3 und 4 dargestellten ist darin zu sehen, dass die Bildung mehrerer Pfade für den Stromfluss zwischen den Elektrodenabschnitten gesichert ist. Wie aus der Fig. 3 zu ersehen ist, werden alle in getrennten Stromkreisen liegenden Elektrodenabschnitte gezwun gen, Strom zu führen, und es besteht bei keiner Elektrode eine Tendenz, mehr Strom zu führen als die anderen.
Bei der Anordnung nach der Fig. 2 brauchen im Gegensatz hierzu die parallelgeschal teten Elektrodenabschnitte nicht gleichmässig Strom zu führen. Bei gewissen Betriebsbedingungen können daher bestimmte Elektrodenabschnitte, beispielsweise 16-18 und 21-23 bestrebt sein, in steigendem Masse Laststrom zu führen, so dass die Wirksamkeit der Elektroden 14-15 und 19-20 vermindert wird.
Des Interesses halber sei bemerkt, dass es bei einem herkömmlichen MHD-Generator der in der Fig. 1 dargestellten Ausführung keinen Zweck hätte, zu versuchen, die Elektroden so anzuordnen, dass deren Flächen über die von der Bewegung des Gases über die Innenwandungen des Kanals erzeugte Grenz schicht hinaus vorstehen. Dies erhellt, wenn berück sichtigt wird, dass die Elektroden selbst Flächen darstellen, die die Bewegung des Gases verzögern, weshalb die Grenzschicht sich an den Elektroden flächen selbst bildet.
Es ist daher leicht einzusehen, dass die durch die Grenzschicht hindurchragenden einzelnen Elektrodenabschnitte ein wirksames Arbei ten sichern, das bei Verwendung der ununterbrochen verlaufenden Elektroden nach der Fig. 1 nicht er zielt werden kann.
Die besondere körperliche Ausbildung der in den Fig. 2-4 dargestellten Elektrodenabschnitte ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Der Einfachheit halber wurden die Elektrodenabschnitte als kurze Stäbe dargestellt, die sich durch die Grenz- schicht hindurch erstrecken. Der Querschnitt der Stäbe oder deren Gestalt in Richtung parallel zu deren Länge ist unwesentlich, da die Erfindung ungeachtet der Form des Elektrodenabschnittes von Nutzen ist. Ebenso stellt das Material, aus dem die Elektroden bestehen, in keiner Weise eine Einschränkung der Erfindung dar.
Diese Elektroden können aus schwer schmelzbaren Metallen, nichtrostendem Stahl oder aus Kupfer bestehen, wenn eine Innenkühlung vor gesehen wird.
Der Einfachheit halber wurde die Erfindung in bezug auf einen MHD-Generator beschrieben. Für Sachkundige wird es naheliegend sein, dass die Er findung ebensogut auch bei MHD-Einrichtungen an derer Ausführung angewendet werden kann. Als Beispiel sei angeführt, dass solche Elektroden mit Vorteil auch bei einem MHD-Beschleuniger ver wendet werden können, wobei an gegenüberstehende Elektroden ein unterschiedliches Potential angelegt wird, um ein sich durch ein Quermagnetfeld be wegendes elektrisch leitendes Mittel zu beschleunigen, welches Magnetfeld senkrecht zur Reihe der Elek troden angeordnet ist.
Abschliessend sei gesagt, dass die vorliegende Erfindung alle nachteiligen Wirkungen beseitigt, die bei Anwesenheit einer Grenzschicht in der Ein richtung auftreten, und die Aufrechterhaltung eines leitenden Pfades mit dem heissen, elektrisch leitenden Arbeitsmittel der Einrichtung sichert.