Energiewandler Die Erfindung betrifft Energiewandler mit einem Kanal, der aus Elektroden und isolierenden Wänden besteht und ein leitendes, insbesondere thermisch ioni siertes Arbeitsgas umschliesst. Dazu gehören magne- tohydrodynamische Generatoren zur Direktumwand lung, die mit Hilfe rasch strömenden Arbeitsgases thermische in elektrische Energie umwandeln, sowie ihre Umkehrung, die unter Stromzufuhr an Elektro den für ein ionisiertes Gas als Pumpe wirken. Bei hohen Austrittsgeschwindigkeiten des Gases kann diese Version als Raumfahrtantrieb verwendet werden.
Daneben zählt bekanntlich auch der thermische Konverter zu den Energieumwandlern, die mit einem leitenden Gas betrieben werden.
Die konventionelle Art der Erzeugung elektrischer Energie besteht darin, dass ein mechanisch bewegter Leiter durch ein Magnetfeld geführt wird. Dabei wird also die Energieumwandlung aus Wärme in elektri sche Energie über mechanische Energie durchgeführt. Elektrische Energie kann auch beim Durchführen von flüssigen Leitern durch ein Magnetfeld erzeugt wer den. Um jedoch eine direkte Umwandlung von ther mischer in elektrische Energie zu erreichen, ist die Verwendung eines Gases zur Erzielung beträchtlicher Volumenänderungen und damit hoher Mediumge- schwindIgkeiten erforderlich.
Elektrische Energie lässt sich iin grosstechnischen Massstab mit magnetohydrodynamischen Generatoren (vIIID-Generatoren) bei gutem Wirkungsgrad gewin nen. Ein MHD-Generator arbeitet mit einem ionisier ten Medium, das gewöhnlich ein Edelgas oder ein Gas ist, wie es als thermisch ionisiertes Verbrennungs produkt entsteht. Zugabe von Saatmaterial erhöht da bei die Leitfähigkeit des Arbeitsgases.
Das ionisierte Gas wird durch einen Kanal geführt, der durch gegen überliegende elektrisch leitende Elektroden und da zwischenliegende isolierende Wände gebildet wird. Legt man ein zum Kanal transversales Magnetfeld an, senk recht zur Strömung des Arbeitsgases und zu einer durch die Elektroden gelegten Ebene, so wird für einen angeschlossenen äusseren Lastkreis Strom er zeugt.
Es lässt sich zeigen, dass es für einen guten Wir kungsgrad erforderlich ist, dass das thermisch ioni sierte Gas in einem Zustand hoher Leitfähigkeit er halten bleibt. Dazu muss das Arbeitsgas auf Tempe raturen der Grössenordnung von 2500 K gehalten werden. Diese im Kanal herrschenden Bedingungen stellen an elektrisch isolierendes Material für die Wände zwischen den stromabnehmenden Elektroden extrem hohe Forderungen. Solche Materialien müssen ihre isolierenden Eigenschaften bei den im Kanal herr schenden hohen Temperaturen behalten und sollen auch gegen das Gas und die als Saatmaterial verwand ten Alkalimetalle chemisch widerstandsfähig sein.
Dar über hinaus muss das Material kräftige Struktur haben, um den Wirkungen von Druck und Abrieb bei den hohen Strömungsgeschwindigkeiten zu widerstehen. Ausserdem ist an der Oberfläche der Kanalwand, an der das Arbeitsgas vorbeiströmt, äusserst niedrige Rei bung zu fordern, da sich sonst aus dem elektrisch leitenden Gas auf den Wänden zwischen den Elektro den Niederschläge absetzen. Diese Grenzschichten des Arbeitsgases verursachen bei relativ niedriger Strö mungsgeschwindigkeit einen elektrisch leitenden Pfad zwischen den Elektroden und geben Anlass zu Kurz schlussströmen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, Energiewandler zu bauen, bei denen Kurzschlussströme zwischen den Elektroden vermieden werden. Zur Lösung dieser Auf gabe sieht die Erfindung Mittel zur Erzeugung einer nichtleitenden Gasschicht an den Kanalwänden vor. Hierzu kann man beispielsweise nichtleitende Gase ein blasen oder das Arbeitsgas in der Randzone unter die lionisationstemperatur abkühlen. Man vermeidet so nicht nur Kurzschlussströme zwischen den Elektro den, sondern schützt auch die Kanalwände gegen den Einfluss der hollen Temperatur und den Angriff durch chemische Einflüsse des Arbeitsgases, insbesondere des Saatmaterials.
Anhand von Ausführungsbeispielen sollen Ener- gewandler nach der Erfindung weiter beschrieben werden.
Figur 1 stellt einen Querschnitt durch den elektro- dentragenden Teil eines Wandlers gemäss der Erfin dung dar.
Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten Teil im Längsschnitt.
In Figur 3 ist als Kurvenverlauf die elektrische Leitfähigkeit a des ionisierten Arbeitsgases als Funk tion der Temperatur T abgetragen.
Figur 4 bringt im Querschnitt eine andere Aus führung gemäss der Erfindung.
Durch Figur 5 wird die Ausführung nach Figur 4 als Längsschnitt wiedergegeben.
Figur 6 stellt eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung im Querschnitt dar.
In Figur 7 ist das Ausführungsbeispiel nach Figur 6 im Längsschnitt dargestellt.
In den Figuren 1 und 2 ist der elektrodentragende Teil eines Energiewandlers gemäss der Erfindung ge zeigt, der bei einem MHD-Generator dem Generator kanal entspricht. Als Generatorkanal wird der Kanal 10 von thermisch ionisiertem Arbeitsgas in x-Richtung durchströmt. Das ionisierte Arbeitsgas kann z. B. ein Verbrennungsprodukt sein, dem zur Leitfähigkeit ein Alkalimetall wie Kalium, Caesium oder Rubidium als Saatmaterial zugegeben ist.
Entlang des Kanals 10 stehen mit dem Arbeitsgas elektrisch leitende Elektrodenpaare 12, 14 und 16 in Berührung, die in elektrisch isolierende Wände 18 und 20 oben und unten eingebaut sind. An den Elektroden sind Durchführungen angedeutet, an die beispielsweise ein äusserer Lastkreis angeschlossen wird. Zwischen den Elektroden sind isolierende Seitenwände 22 und 24 angeordnet, womit der Kanal 10 geschlossen ist. Als isolierendes Material für Deckwand, Boden und Seitenwände des Kanals kommt z. B. Zirkonoxyd oder Magnesiumoxyd ,in Frage. Die Magnetpole 26 u. 28 zur Erzeugung eines zur Strömung durch den Ka nal 10 tran.sversalen Magnetfeldes schliessen sich an die Wände 22 und 24 an.
Bei Durchtritt des elektrisch leitenden Arbeitsgases durch das transversale Magnet feld wird somit Strom erzeugt, der sich an den Elek- trodenpaaren 12, 14 und 16 abnehmen lässt.
Für Gase aus Verbrennungsprodukten, die mit Alkalimetall versetzt sind, ist in dem Diagramm nach Figur 3 die Leitfähigkeit in Siemens/Meter als Funk- tion der Temperatur T in K dargestellt. Kurve A zeigt den Verlauf für ein Gas aus Verbrennungspro dukten, das als Saatmaterial Caesium mit einem Gas druck von 0,04 Atmosphären enthält. Kurve B zeigt ein solches Gas mit Kalium als Saatmaterial, dem ebenfalls ein Druck von 0,04 Atmosphären entspricht. Aus den Kurven ist ersichtlich, dass die Leitfähigkeit des mit Saatmaterial versetzten Gases sich für je 100 Grad Temperaturanstieg etwa verdoppelt.
Somit kann man durch Kühlen des oberflächen nahen Arbeitsgases in dieser Schicht das Arbeitsgas aus einem hoch leitenden Zustand in einen solchen relativ niedriger Leitfähigkeit überführen, wodurch eine isolierende Schicht zwischen den Elektroden jedes Paares entsteht.
Bringt man über die Kanalwand ein relativ kühles und nicht mit Saatmaterial versetztes Gas ein, so bild: t sich zwischen dem Arbeitsgas und den Seiten wänden 22 und 24 eine nichtleitende Schutzschicht aus. Diese Gasschicht schützt die Seitenwände 22 und 24 und liefert darüber hinaus für das Arbeitsgas eine glatte Oberfläche, die gleichzeitig die benachbarte Schicht des Arbeitsgases kühlt und auf niedrigere elektrische Leitfähigkeit bringt. Durch diese isolieren de Sperrschicht werden alle Kurzschlussströme zwi schen den Elektroden unterbunden.
Zur Erzeugung einer solchen Kühlgasschicht auf den Wänden 22 und 24 kann man, wie aus Figur 1 und 2 ersichtlich, strömungsaufwärts vom Elektroden paar 12 am Anfang des Kanals 10 Düsen 25 und 27 bzw. Gaszuführungsnasen in den Kanal vorspringen lassen. Durch diese Düsen 25 und 27 wird ein Gas, wie z. B. Luft, in den Kanal eingedrückt, das dann im Inneren des Kanals 10 an den Wänden 22 und 24 entlangfliesst und zwischen den Elektrodenpaaren 12, 14 und 16 und dem Arbeitsgas eine Isolierschicht bil det.
Das Kühlgas kann durch gebräuchliche Kompres soren geliefert werden, die nicht weiter beschrieben werden müssen. Das Gas kann Zimmertemperatur haben und sollte nicht mit Saatmaterial versetzt sein. Man erzielt in den Gasschichten des Arbeitsgases, die den Wänden 22 und 24 benachbart sind, eine relativ geringe Temperaurbsenkung, die genügt, dass das Arbeitsgas in diesen Schichten nichtleitend wird.
Nach Figur 4 und 5 sind am Kanal 10 zwischen den Elektrodenpaaren 12, 14 und 16 poröse Seiten wände 40 und 42 angeordnet. Sie können aus einem porösen Keramikmaterial wie z. B. Zirkonoxydkera- mik bestehen. Um eine Schicht aus Kühlgas zwischen die Strömung des Arbeitsgases und die dem Gas zu gekehrten Seiten der Wände 40 und 42 zu bringen, wird ein Kühlgas wie Luft durch die Zuführungen 44 und 46 in die Hohlräume 48 und 50 eingeleitet. Die Luft tritt dann durch die Poren in den Wänden 40 und 42 in den Kanal 10 ein und bildet über den Wän den eine isolierende Schutzschicht.
Die übrigen Teile der Ausführungsform nach den Figuren 4 und 5 entsprechen denen nach den Figuren 1 und 2. Die Herstellung porösen Isoliermaterials wie Zirkonoxyd ist bekannt und braucht nicht weiter beschrieben zu werden.
Das in den Figuren 6 und 7 dargestellte Ausfüh rungsbeispiel enthält in den Wänden 64 und 66 Rohr schlangen 60 und 62, die über der inneren Oberfläche des Kanals 10 zwischen den Elektrodenpaaren 12, 14 und 16 angeordnet sind. Durch diese Rohrschlangen 60 und 62 wird .eingeeignetes Kühlmittel durchgeleitet. Das Versorgungsaggregat des Kühlkreislaufes kann in bekannter Weise ausgeführt sein.
Bei Durchleiten eines Kühlmittels durch die Kühl schlangen 60 und 62 werden die Wände 64 und 66 gekühlt. Dadurch wird weiterhin das Arbeitsgas in wandnahen Schichten soweit gekühlt, dass es aus dem elektrisch leitenden in den isolierenden Zustand über führt wird. Bei so gekühlten Wänden 64 und 66 bildet sich also über ihnen aus dem Arbeitsgas selbst eine Schutzschicht aus, die einen hohen Widerstand auf weist und Kurzschlussströme verhindert.
Bei einem Energiewandler gemäss der Erfindung kann somit an den Elektroden die volle Leistung ab genommen werden, weil keine Kurzschlussverluste zwischen den Elektroden auftreten. Ohne vom Wesen der Erfindung abzuweichen, sind durch die Ausfüh- rungsbeispiele Anregungen für weitere Abwandlungen gegeben. Es ist verständlich, dass vielfältige Varia tionsmöglichkeiten durch Auswahl der Materialien und ihrer Formgebung sowie der Zusammensetzung des isolierenden Schutzgases möglich sind. Dadurch erzielt man auch bei anderen Energiewandlern eine Anpassung an die speziellen Isolationsprobleme.