Verfahren zum Betrieb eines MHD-Generators Elektrische Energie wird gewöhnlich aus Wärme über den Umweg mechanischer Energie gewonnen. Die konventionelle Art elektrische Energie herzustel len besteht darin, dass ein mechanisch bewegter Lei ter durch ein magnetisches Feld geführt wird. Elek trische Energie kann auch beim Durchführen von flüssigen Leitern durch ein Magnetfeld erzeugt wer den. Um jedoch eine direkte Energieumwandlung von thermischer in elektrische Energie zu erreichen, ist es zweckmässig, Gase zu verwenden, um beträchtliche Volumenänderungen realisieren zu können, die zur notwendigen Erzeugung hoher Geschwindigkeiten er forderlich sind.
Grosse elektrische Energiemengen werden mit gutem Wirkungsgrad durch magnetohy- drodynamische Generatoren, im folgenden MHD-Ge- neratoren genannt, gewonnen. MHD-Generatoren ver wenden als leitendes Arbeitsmittel normalerweise Ga se, wie sie durch Verbrennungsprozesse entstehen, die also thermisch ionisiert sind, und denen Saatmate- ; r;alien, wie Alkalimetalle, hinzugegeben werden, um 2ere Leitfähigkeit zu erreichen.
Das ionisierte Gas wird mittels eines Arbeitskanals durch ein transver- sales Magnetfeld hindurchgeführt. Der hierdurch ent stehende Strom wird von Elektroden abgenommen, die entlang der Flussrichtung am Arbeitskanal angeordnet sind.
Um bei MHD-Anlagen einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ohne zu grosse Baulängen zu erhalten, ist es nötig, das thermisch ionisierte Gas im Zustand hoher elektrischer Leitfähigkeit zu halten, und zwar auf der gesamten Strecke des Durchtritts durch den Generator. Dazu soll das Gas auf Temperaturen der Grössenordnung von 2500 C gehalten werden. Die elektrische Leitfähigkeit des als Arbeitsmittel ver- wandten Verbrennungsproduktes, dem Alkalimetalle, wie Kalium oder Caesium, als Saatmaterial zugegeben werden, wächst stark mit der Temperatur. So erhöht z.
B. eine Temperatursteigerung von 200 C die Leit fähigkeit des Arbeitsmittels um ein dreifaches. Die Temperaturfestigkeit der zur Zeit bekannten härtesten Materialien begrenzt die Arbeitstemperatur des MHD- Generators auf maximal etwa 2500 C. Diese Tempe ratur des Arbeitsgases soll nach Möglichkeit nicht unterschritten werden, da sonst die Leitfähigkeit des Arbeitsmittels sinkt und somit die entnehmbare Ener gie stark abnimmt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, beim Betrieb eines MHD-Generators hohen Wirkungsgrad und gleichzeitig hohe Leistungsdichte zu erzielen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines MHD-Generators und besteht darin, dass das Arbeits mittel während des Durchtritts durch den Arbeits kanal des Generators fortlaufend erwärmt wird. Bei spielsweise kann dies dadurch erfolgen, dass fort laufend Wärmeenergie im Arbeitsmittel während des Durchtritts durch den Arbeitskanal freigesetzt wird.
Das kann so erreicht werden, dass eine inhomogene Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel in der Generatorbrennkammer vorgenommen wird. Die Leit fähigkeit kann durch Saatmaterial erhöht werden. Es ist auch günstig, einen Generatorkanal mit einer Viel zahl längs des Kanals verteilter Brennstoff- bzw. Oxydationsmittelzuführungen zu verwenden.
Das Betriebsverfahren nach der Erfindung ermög licht längs der wirksamen Generatorstrecke gleich bleibende Temperatur des Arbeitsmittels und somit gleichbleibende hohe Leitfähigkeit. Es werden des- halb bei hohem Wirkungsgrad hohe Leistungsdichten erhalten.
Wirkungsweise des Verfahrens und Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung sollen anhand von Ausführungsbeispielen näher er läutert werden.
Figur 1 zeigt ein schematisches Diagramm einer Anlage mit einem MHD-Generator, der nach einem erfindungsgemässen Verfahren betrieben wird.
Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teiles aus Figur 1 längs II-II von Figur 1 genommen.
In Figur 1 wird eine MHD-Generatoranlage ge zeigt, die Verbrennungsgase als Arbeitsmittel verwen det. Wie aus der Figur zu ersehen ist, umfasst der Generator eine Brennkammer 14, eine Mischkammer 18 und einen Arbeitskanal 10, durch den das Arbeits mittel in Pfeilrichtung hindurchtritt. Die Luftzuführung 12 führt der Brennkammer 14 des Generators Sauer stoff zu, vorzugsweise in Form von komprimierter und vorerhitzter Luft. Brennstoff wird der Brennkam- mer 14 durch eine geeignete Öffnung von der Ein gabevorrichtung des Brennstoffvorratsbehälters 16 zu geführt.
Die gasförmigen Verbrennungsprodukte treten aus der Brennkammer in die Mischkammer 18 mit einer zur thermischen Ionisierung ausreichenden Temperatur ein und durchströmen dann den Kanal 10. Um das so erhaltene Arbeitsmittel vollständiger zu ionisieren und höhere Leitfähigkeit zu erhalten, wird ein Saatmaterial zugegeben, das ein Alkalimetall, wie Kalium, Natrium oder Caesium enthält. Dieses wird dem Gasstrom über die Leitung 30 in der Brenn kammer 14 des Generators zugeführt. Das Saatmate rial wird von einem Vorratsbehälter 20 geliefert.
Das so erhaltene ionisierte Arbeitsmittel durchströmt im Kanal 10 des Generators ein transversales Magnet feld und die so erzeugte elektrische Energie wird durch den Strom über die Elektrodenpaare 2, 3, 5 und 7 abgenommen, die entlang der Ober- und Unter seite des Kanals 10 angeordnet sind.
Eine Rückgewinnungsanlage 28 kann am Ende des Kanals 10 vorgesehen sein, um soviel wie mög lich von dem relativ teuren Saatmaterial zurückzuge winnen. Die Rückgewinnungsanlage 28 kann z. B. aus einer Wassersprühanlage oder aus einer elektro statischen Corona-Anlage bestehen, welche beide be kannt sind und einen grossen Teil des Saatmaterials zurückgewinnen. Das heisse, die Rückgewinnungs anlage durchströmende Arbeitsgas kann in bekannter Weise zur Vorerhitzung der Verbrennungsluft ver wendet werden und entweicht dann durch einen Ka min. Von der Rückgewinnungsanlage 28 aus wird das Saatmaterial über die Leitung 30 der Brennkammer 14 zugeführt, womit der Kreis geschlossen ist.
Die Temperatur des Arbeitsmittels sinkt, wenn es beim Durchtritt durch das Magnetfeld elektrische Energie abgibt. Mit sinkender Temperatur sinkt aber die Leitfähigkeit des Arbeitsmittels und die entnehm- bare Energie, sowie die Leistungsdichte.
Eine Methode zur kontinuierlichen Nacherhitzung des Gases besteht darin, dass man einen Brennstoff verwendet, der eine hinreichend niedrige Reaktions zeit aufweist, so dass eine kontinuierliche Verbren nung und ein fortlaufendes Freiwerden von Wärme energie im Arbeitsmittel während des Kanaldurch- laufs stattfindet. Die Grössenordnung der Nacherhit zung wird durch das Mass der vom Generator extra hierten Energie bestimmt, die ihrerseits eine Funkticn der Geschwindigkeit des Arbeitsmittels, seiner elek trischen Leitfähigkeit, seiner thermischen Verluste und der Stärke des Magnetfeldes ist. Die so fest gelegte Grössenordnung der freizusetzenden Wärme energie bestimmt die Zusammensetzung des Brenn stoffes.
In einer MHD-Grossanlage wird die fortlau fende Nacherhitzung rasch durch eine Mischanlage für Brennstoffe und Oxydationsmittel gesteuert, in der eine nicht homogene Mischung von Brennstoff und Oxydationsmittel hergestellt wird. Zusätzliche Wärme wird frei, wenn das Arbeitsmittel den Kanal durch strömt u. sich der Brennstoff mit dem Sauerstoff ver mischt u. verbrennt. So kann z. B. jedes brennbare öl, wie Dieselöl, zersprüht verwandt werden, bei dem die Tropfengrösse, die Homogenität oder eine von bei den gesteuert werden kann. Im Fall der nicht homo genen Mischung kann z. B.
Erdgas mit einer vor bestimmten Menge von Luft oder Sauerstoff ver mischt werden, so dass diese Mischung fortlaufend Wärmeenergie nach der chemischen Reaktion beim Durchströmen des Kanals freisetzt.
Zusätzlicher Brennstoff oder zusätzlicher Sauer stoff oder beides kann mit einer Vielzahl längs des Kanals verteilter Zuführungen zugegeben werden, um die nötige Nacherhitzung des Arbeitsmittels zu ver vollständigen. Die Vorratsbehälter 32, 34, 36 und 38 in Figur 1 sind fortlaufend mit Zuführungen entlang des Kanals 10 verbunden. Durch geeignete Zugabeöff- nungen im Kanal werden aus diesen Vorratsbehältern Brennstoff oder Sauerstoff dem Kanal zugeführt, so dass im Arbeitsmittel fortlaufend Verbrennungsvor gänge stattfinden. Damit wird eine kontinuierliche Nacherhitzung erzielt. Aus der Berücksichtigung des zuerst verwandten Brennstoffes ergibt sich die ent lang des Kanals einzustellende Mischung von Brenn stoff und Sauerstoff.
So muss im Fall einer überan- reicherung von Brennstoff bezogen auf die stöchiome- trische Zusammensetzung des Arbeitsgases beim Ka naleingang, zusätzlich Sauerstoff durch die Zugabe vorrichtungen 32, 34, 36 und 38 in kontrollierter Menge zugegeben werden, um eine kontinuierliche Nacherhitzung des Arbeitsmittels beim Durchtritt durch den Kanal 10 zu erhalten.
Wenn dagegen das Arbeitsgas am Generatoreingang mit Sauerstoff - be zogen auf die stöchiometrische Zusammensetzung überangereichert ist, muss Brennstoff entlang des Ge- neratorkanals zugeführt werden, um kontinuierliche Nacherhitzung durch kontrollierte Brennstoffzufuhr aus den Vorratsbehältern 32, 34, 36 und 38 zu er zielen.
Wenn z. B. Erdgas als Eingangsmischung verwen det wird, muss Sauerstoff zur weiteren Unterhaltung des Verbrennungsprozesses auf dem Weg durch den Kanal zugegeben werden. Auch wenn Kohle als Brennstoff verwendet wird, ist Sauerstoff dem Brenn stoff zuzuführen, um den Verbrennungsprozess voll ständig durchzuführen und um fortlaufend entlang des Generatorkanals freiwerdende Energie zuführen zu können. Bei Sauerstoffüberschuss in der am Eingang des Generatorkanals eingeführten Mischung, ist zu sätzlich Brennstoff zuzuführen, in flüssigem, gas förmigem oder festem Zustand, um eine kontinuier liche Nacherhitzung des Arbeitsmittels zu erzielen.
Figur 2 zeigt einen Querschnitt des Generator kanals. Ein Paar leitende Elektroden 2 ist an der Ober seite und am Boden des Kanals 10 angeordnet. Die isolierenden Wände 4 und 6, aus einem geeigneten harten Material, stellen die anderen Begrenzungen des Kanals 10 dar. Magnetpole N und S, den Wandteilen 4 und 6 benachbart angeordnet, symbolisieren eine Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes B, das senkrecht zur Flussrichtung des Arbeitsmittels durch den Kanal 10 steht. Es können weitere Elektroden paare entlang des Kanals 10 angeordnet sein, wie in Figur 1 mit 3, 5 und 7 angedeutet.
Es ist verständlich, dass nicht nur durch jede der beschriebenen Massnahmen dem gasförmigen Arbeits mittel kontinuierlich Wärmeenergie beim Durchtritt durch den Kanal 10 zugeführt wird. Es kommt ledig lich darauf an, dass das Arbeitsmittel auf hoher Tem peratur und somit in einem Zustand hoher elektrischer Leitfähigkeit erhalten wird, was zum Erzielen eines guten Wirkungsgrades der Anlage erforderlich ist. An dererseits können die erfindungsgemässen Massnah- men auch bei MHD-Generatoren mit axialem Magnet feld und tangentialem Arbeitsmittelfluss angewandt werden.