CH412077A - Energiewandler - Google Patents

Description

      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.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Energiewandler mit einem Kanal, der aus Elek troden und isolierenden Wänden besteht und ein lei- tendes Arbeitsgas umschliesst, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung einer nichtleitenden Gasschicht an den Kanalwänden. UNTERANSPRÜCHE 1. Energiewandler nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel eine gas durchlässige Kanalwand und einen Kompressor um fassen, der mit der Kanalwand verbunden ist, um nichtleitendes Gas in den Kanal einzublasen. 2. Energiewandler nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel porös aus gebildete Kanalwände zur Zufuhr nichtleitenden Ga ses umfassen. 3.

   Energiewandler nach Patentanspruch, für ther misch ionisiertes Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel Kühlkanäle in der Kanal wand umfassen, um das Arbeitsgas an der Kanalwand zu kühlen, damit es nicht leitend wird. 4. Energiewandler nach Patentanspruch, für strö mendes Arbeitsgas, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel durch die Kanalwand führende stromaufwärts in den Kanal vorspringende Düsen zur Zufuhr nichtleitenden Gases umfassen. 5.

   Energiewandler nach Patentanspruch, für ther misch ionisiertes strömendes Arbeitsgas, dadurch ge kennzeichnet, dass die genannten Mittel Kühlkanäle in der Kanalwand und stromaufwärts vom Arbeitsgas durch die Kanalwand führende in den Kanal vor springende Düsen zur Zufuhr nichtleitenden Gases umfassen.