Magnetohydrodynamischer Generator Ein magnetohydrodynamischer Generator (MHD- Generator) hat bekanntlich Elektroden, zwischen denen ein elektrisch leitendes Medium mit hoher Geschwin digkeit strömt. Legt man senkrecht zur Strömungs richtung und zu einer durch die Elektroden gedachten Ebene ein Magnetfeld an, so kann man an den Elek troden elektrische Leistung entnehmen.
Für eine Direktumwandlung thermischer in elektri sche Energie können die Abgase einer Flamme verwen det werden, wie sie bei Verbrennen von ölen, z.B. Heizölen, unter Zufuhr von Luft und leicht ionisier baren Stoffen (Saatmaterial) wie Kalium entstehen. Die Abgase aus der Flamme sind dann so weit ionisiert, dass sie die Eigenschaften eines Plasmas haben.
Das Plasma kann auch durch Kernenergie erzeugt werden. Dazu können Wärmewirkung der Kernreak tion und ionisierende Wirkung der radioaktiven Strah lung ausgenutzt werden.
In Fig. 1 ist schematisch ein MHD-Generator dar gestellt. In einer Brennkammer 4 entsteht Plasma mit einer Temperatur von etwa 3000 C, das in Richtung des Pfeiles v durch eine Düse 5 expandiert und da durch auf Strömungsgeschwindigkeiten (v) in der Grössenordnung von 1000 m/sec gebracht wird. Mit dem Plasma stehen im Strömungsraum 6 des Gene ratorkanals gegenüberliegende Elektroden 8 und 9 in Verbindung. Senkrecht zur Zeichenebene liegt ein Magnetfeld B an, dessen Kraftlinien aus der Zeichen ebene heraustreten. Dadurch wird im Plasma eine ne gative elektrische Feldstärke in Richtung des Pfeiles Ei induziert, bzw. zwischen den Elektroden entsteht eine positive Feldstärke in Richtung dieses Pfeiles.
Die Leerlaufspannung zwischen den Elektroden ist in erster Näherung dem Produkt aus der magne- tischen Feldstärke, der Strömungsgeschwindigkeit des leitenden Mediums und dem Elektrodenabstand pro portional. Trägt man die Leerlaufspannung als Funk tion der angelegten magnetischen Feldstärke auf, so zeigt isich, dass die Leerlaufspannung ab etwa 5 kOe langsamer als linear mit der magnetischen Feldstärke ansteigt.
Das bedeutet ein Anwachsen des als Ver hältnis von Leerlaufspannung zu Kurzschlussstrom ge bildeten Generatorinnenwiderstandes.
Mitunter wird bei MHD-Generatoren die Ursache für das geringer werdende Anwachsen der Leerlauf spannung mit Halleffekt bezeichnet. Werden keine Vorkehrungen - wie Unterteilung der Elektroden quer zur Strömungsrichtung - getroffen, -so führt der Halleffekt zu Ausgleichsströmen über die Elektroden und zu Wirbelströmen im Plasma.
In der deutschen Patentschrift 692 706 ist unter anderem eine Anordnung beschrieben, bei der ein Gas- oder Dampfstrom zwischen längs der Strömung an- geordneten Elektrodenpaaren hindurchströmt. Es ist dabei eine Schaltung beschrieben, mit der durch Trans formatoren bei galvanischer Trennung der Elektroden paare die Elektrodenspannung summiert wird. Bei einem angelegten magnetischen Wechselfeld kann die ser Generator Wechselstrom erzeugen.
Die Unterteilung der Elektroden quer zur Strö mungsrichtung bzw. die Anordnung mehrerer Elektro- denpaare sieht man vor, um bei galvanischer Tren nung der Elektrodenpaare Wirbelströme, bzw. Aus gleichsströme über die Elektroden zu vermeiden. Diese würden sonst durch eine Spannungskomponente in Strömungsrichtung (z.B. Hallspannung) ausgelöst.
Von einer solchen Anordnung mehrerer Elektroden paare geht die Erfindung aus. Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, dem Anwachsen des Generatorinnen- widerstandes bzw. dem schwächer werdenden Anwach sen der Leerlaufspannung bei wachsendem angelegtem Magnetfeld entgegen zu wirken. Ausserdem soll bei Entnahme von Laststrom bzw. bei Laststromänderung der dadurch auftretende Halleffekt zu keiner Lei- stungseinbusse des Generators führen.
Dieses Ziel wird mit MHD-Generatoren mit galva nisch getrennten Elektrodenpaaren, die mit einem strö menden, elektrisch leitenden Medium in Verbindung stehen, dadurch erreicht, dass gegenüberliegende Elek troden in Strömungsrichtung im Sinne der Erzielung maximaler Elektrodenspannung gegeneinander versetzt sind. Ist das Ausmass des Versatzes während des Be triebes einstellbar, so lässt sich der Generator nach der Erfindung wechselnden Betriebsbedingungen anpassen. Dazu können die Elektroden durch einen Stellmotor eingestellt werden, der von einem Spannungsregler in Abhängigkeit von der Elektrodenspannung beeinflusst wird.
Die Elektroden sind dann paarweise immer in Richtung der aus induzierter und Hallkomponente re sultierenden Feldstärke einander gegenübergestellt.
Es ist ein Generator mit mehreren Elektrodenpaaren bekannt, bei dem Elektroden auf gleichem Potential, die also in Strömungsrichtung versetzt sind, elektrisch miteinander verbunden sind. Den überzähligen versetz ten Elektroden am Strömungseingang und -ausgang stehen jeweils eine schräg angeordnete Schlusselektro- de gegenüber, von denen die summierte Energie abge nommen werden soll.
Es handelt sich also um eine Reihenschaltung von Elektrodenpaaren bzw. der quer zur Strömungsrichtung im Plasma induzierten Span nungskomponente mit Hilfe der Hallspannung. Dabei liegt die vom Generator erzeugte Spannung zwischen Elektroden auf einer Seite der Strömung an, weshalb mit starken Ausgleichsströmen gerechnet werden muss.
Beim Generator nach der Erfindung kann man ebenfalls die einzelnen Elektrodenspannungen summie ren. Sie lassen sich ausserdem in getrennten Lastkreisen ausnützen. Wesentlich ist, dass man beim erfindungs- gemässen Generator jeweils zwischen den Elektroden eines Paares die gegenüber der Querspannung grössere maximale bzw. resultierende Spannung erzielt. Da der Generator nach der Erfindung die maximale Klemmen spannung unter Vermeidung von Wirbelstromverlusten liefert, ist man in der Lage, leistungsstärkere MHD- Generatoren zu bauen.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass der Stromtransport :im Pla sma wie bei metallisch leitenden Medien über die Elektronen zustande kommt. Die Ionenbeweglichkeit im Plasma ist gegenüber der Beweglichkeit der Elek tronen zu vernachlässigen. Auf Grund der Strömungs geschwindigkeit des Plasmas wirkt durch das Magnet feld auf die Elektronen eine Kraft in Richtung der negativen induzierten Feldstärke. Andererseits werden Elektronen in einem Magnetfeld auf eine Kreisbahn (Larmor-Kreis) abgelenkt.
Ist die mittlere freie Weg länge X der Elektronen gegenüber dem Durchmesser d des Larmor-Kreises klein, so kommt wegen häufiger Zusammenstösse die zuletztgenannte Erscheinung nicht oder wenig zur Wirkung. Ist X in der Grössenordnung mit d vergleichbar, so legen die Elektronen zwischen den Zusammenstössen beträchtliche Teile einer Kreis bahn zurück. Dadurch bleiben die Elektronen in Strömungsrichtung gegenüber den positiven Ionen zu rück, und es entsteht die Erscheinung, als ob eine Feldstärke in Strömungsrichtung wirksam würde, was mitunter auch als Halleffekt bezeichnet wird, im phy sikalisch strengen Sinne aber kein Halleffekt ist.
Fliesst zwischen den Elektroden über einen äusseren Widerstand ein Laststrom, so kommt durch das ange legte Magnetfeld der eigentliche Halleffekt zustande. Beide Erscheinungen bewirken gleichsinnig, dass die im Plasma erzeugte resultierende Feldstärke gedreht wird und werden hier unter dem Begriff Halleffekt zusammengefasst. Der Generator nach der Erfindung gestattet, unmittelbar diese resultierende Feldstärke auszunutzen.
In Fig. 1 sind neben der induzierten elektrischen Feldstärke E; der Spannungskomponente quer zur Strömungsrichtung, die Hallkomponente E,, sowie die resultierende Feldstärke Er eingetragen.
Die Elektrodenanordnung im Generator bei eigem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 wie dergegeben. Durch den Strömungsraum 6 des darge stellten Generatorkanals strömt Plasma mit der Ge schwindigkeit v.
Durch das senkrecht aus der Zeichen ebene heraustretende Magnetfeld B und auf Grund der beschriebenen Halleffekte entsteht eine resultierende Feldstärke in Richtung der Pfeile Er. Über die Elek- trodenpaare mit den Elektroden 8 und 9, 10 und 11, 12 und 13, 14 und 15, deren Randverbindungslinien .in der Richtung der resultierenden Feldstärke liegen, können Verbraucher elektrischer Energie unter voller Ausnutzung der resultierenden Feldstärke gespeist wer den. Das heisst, dass gegenüberliegende Elektroden in Strömungsrichtung im Sinne maximaler Spannung ge geneinander versetzt sind.
Durch die schräge Gegen überstellung der Elektroden liegt zwischen jedem Elektrodenpaar ausserdem wegen des grösseren Elek- trodenabstandes in Richtung der resultierenden Feld stärke höhere Spannung an als bei einer Gegenüber stellung senkrecht zur Strömungsrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel zum Generator nach der Erfindung ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Über eine Ringdüse 1 wird durch ein Rohr 2 Heizöl und durch ein Rohr 3 Sauerstoff und Kaliumkarbonat als Saatmaterial in die Brennkammer 4 eingespritzt. Bei der Verbrennung entsteht ein Plasma, das über eine Düse 5 auf hohe Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird und den Strömungsraum 6 eines Generatorkanals 7 durchströmt. Über und unter der Zeichenebene ist der Generatorkanal durch Wände abgeschlossen zu denken, an die sich Polschuhe zur Zuführung eines Magnetfeldes anschliessen.
Die resultierende elektrische Feldstärke im Plasma wird im Ausführungsbeispiel über vier El'ektrodenpaare nutzbar gemacht. Es lässt sich auch eine andere Zahl von Elektrodenpaaren, prinzipiell auch nur ein einzi ges, verwenden. Die einzelnen Elektroden auf einer Seite der Strömung (8, 10, 12, 14 bzw. 9, 11, 13, 15) können voneinander durch elektrisch isolierende Kitt schichten getrennt sein. Die Elektroden einer Seite sind jeweils mit einer Halterung 16 verbunden, die mit Elektrodendurchführungen versehen sind. In Strö mungsrichtung können die Elektroden auf jeder Seite durch elektrisch isolierendes Material 17 zu geschlosse nen Wänden ergänzt werden.
Eine oder beide der Elektroden tragenden Wände sind in Strömungsrich tung beweglich, und die Elektroden sind gegeneinander versetzt. Nach Fig. 3 wird das Ausmass des Versatzes über die untere Wand durch einen Stellmotor 20 einge stellt; z.B. über ein Zahnrad 19 und eine Zahnstange 18. Stattdessen ist es möglich, die Elektroden nach Art eines umlaufenden Bandes beweglich anzuordnen.
Jedes Elektrodenpaar kann mit einem Wechselrich ter verbunden sein, wodurch Wechselspannungen erzeugt werden. Die Wechselrichter 23, 24, 25 und 26 können über Transformatoren 27, 28, 29 und 30 ge meinsam in ein Netz einspeisen. Durch das Zwischen schalten von Transformatoren bleiben die Elektro- denpaare voneinander galvanisch getrennt, wodurch keine Ausgleichsströme zwischen den Elektrodenpaaren auftreten können. Im Ausführungsbeispiel sind die Transformatoren auf der Sekundärseite in Reihe ge schaltet und über die Anschlussklemmen 31 mit einem Netz verbunden zu denken.
Der Stellmotor 20 wird durch einen Spannungs regler 22 an sich bekannter Art beeinflusst, z.B. auf Vorlauf, Rücklauf oder Halt geschaltet, was mit der Wirkungslinie zwischen 22 und 20 angedeutet ist. Die Regelschaltung bekommt als Istwertinformation z.B. die Spannung zwischen den Elektroden 14 und 15 eines Elektrodenpaares. Die Regelschaltung kann so aufgebaut sein, dass nach bestimmten Zeitintervallen oder nach anderen Kriterien, z.B. nach Spannungsände rung, der Motor 20 so lange auf Vor- oder Rücklauf geschaltet wird, bis die zwischen den Elektroden 14 und 15 gemessene Spannung abfällt.
Dann ist der Motor in die andere Laufrichtung umzuschalten und bis zu abfallender Messspannung in Betrieb zu halten; bei Spannungsabfall ist auszuschalten. Es kann auch eine Rücklaufkorrektur bis zum dazwischenliegenden Spannungsmaximum des gerade herrschenden Be- triebszustandes vorgesehen werden. Der Stellmotor 20 lässt sich mit der vom Generator erzeugten Energie speisen und kann hierzu z.B. über einen Transformator 21 an das Netz angeschlossen sein.
Die Länge der Elektroden in Strömungsrichtung ist so zu bemessen, dass die Hallspannung im Plasma über eine Elektrodenlänge klein bleibt .im Verhältnis zu der zwischen zwei Elektroden eines Paares abgenom menen Nutzspannung. Bei sich erweiternden Generator kanälen, z.B. mit der Form von Laval-Düsen, körnen die Elektroden im Kanal tangential nach der in Fig. 4 ersichtlichen Weise angeordnet sein.
Nach Fig. 4 sind im Strömungsraum 6 eines Generatorkanals zwei Elek- trodenpaare mit den Elektroden 8 und 9 sowie 10 und 11 tangential zur Kanalwand angeordnet. Die Länge der Elektroden ist unterschiedlich und so gewählt, dass die Elektroden eines Paares etwa gleiche Wirkungsflä che haben. Die Elektroden lassen sich dann von paral lelen Linien, wie angedeutet, begrenzt denken.